用于沼气净化的结构可控聚醚酰亚胺中空纤维

本研究开发了用于沼气净化的聚醚酰亚胺（Ultem-1000）中空纤维膜，重点探讨了纺丝条件、膜形态、气体传输性能与膜组件性能之间的关系。以二甲基甲酰胺（DMF）和 N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂的铸膜液在不同条件下制备中空纤维，随后用正庚烷中的 1 和 3 wt.% 硅树脂溶液进行后处理，以减少非选择性缺陷并提高选择性，使其接近致密 PEI 薄膜的本征行为。SEM 分析表明，基于 DMF 的纤维形成了更开放、富含大孔的结构，而基于 NMP 的纤维呈现出更均匀的海绵状形态，且具有更清晰的选择层。基于 DMF 的纤维经历了更快的相分离过程，促进了大孔的形成，增加了亚结构的孔连通性，降低了传质阻力，但同时也增加了非选择性通路和与缺陷相关的选择性损失的概率。这种结构演变反映在气体传输性能上：未处理的 DMF 纤维表现出较高的混合气体渗透通量，但选择性有限；而 NMP 纤维表现出较低的渗透通量，且选择性更接近致密薄膜。硅树脂后处理显著改善了分离性能，其中 3 wt.% 涂层的效果明显优于 1 wt.% 涂层。经 3 wt.% 硅树脂处理的 DMF 基纤维在渗透通量和选择性之间实现了最佳权衡，其 CO2 和 H2S 渗透通量分别为 39.4 和 47.12 GPU，对 CO2/CH4、H2S/CH4 和 CO2/N2 的选择性值分别为 22.4、26.8 和 20.2。在准实际沼气提纯过程中，对包含 500 根纤维的膜组件进行了研究。随着阶段切割率（stage-cut）的增加，截留侧中的 CH4 浓度从约 74 mol.% 增加到 96 mol.%，而 CO2 从约 21 mol.% 降低到 2 mol.%。结果表明，结构调控结合硅树脂后处理是制备适用于同时富集甲烷和去除沼气中酸性杂质的 PEI 中空纤维的有效策略。