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一种具有优异选择性分离膜实现从天然气中脱除硫化氢
《高分子科学前沿》微信公众号 / 时间:2019-05-31 08:22:38

  据高分子科学前沿微信公众平台2019年5月30日讯 天然气作为一种新型能源在近年来受到了广泛关注。据报道,全球范围内天然气的储量丰富,但自然开采的天然气中常常含有硫化氢(H2S)和二氧化碳(CO2)等酸性气体组分,在中东某些地区(如卡塔尔和沙特阿拉伯),天然气中硫化氢的含量甚至高达15~20mol%,严重污染环境,因而对于这些酸性气体与甲烷(CH4)间的高效选择性分离显得尤为重要。目前,工业上对于该类气体的分离主要采用化学吸收法,操作简单,适用于大规模生产,但这种方法工艺维护成本高,效率低。近年来,随着膜分离技术的兴起,许多聚合物薄膜已用于从气流中脱除二氧化碳,但对于分离脱除硫化氢的报道较少,此外,高性能聚合物气体分离膜也需要具备较高的分离效率和气体渗透性。
  基于此背景,近日,美国佐治亚理工学院的威廉·科罗斯(William J. Koros)教授联合沙特阿拉伯国王科技大学的英戈·平诺(Ingo Pinnau)教授在国际著名刊物《Science Advances》上发表了名为“Ultraselective glassy polymer membranes with unprecedented performance for energy-efficient sour gas separation”的论文。两位学者及其团队报道了具有高度刚性和扭曲主干结构的玻璃态自聚微孔的梯形聚合物(polymers of intrinstic microporosity, PIMs-1),并对其进行酰胺肟官能团改性得到(amidoxime-functionalized PIM-1, AO-PIM-1),用于气体分离,该系列滤膜展现出了优异的对二氧化碳和硫化氢的渗透性和选择性,同时,在长时间连续的气体分离作业中仍然能保持优异的二氧化碳和硫化氢的渗透性和选择性。对比于以报道或商用体系有较大的优势,如图1所示。


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图1.(A) PIM-1和AO-PIM-1的化学结构;(B) AO-PIM-1中的空隙分布;(C) PIM-1和AO-PIM-1的CO2/CH4气体分离性能及其与报道体系对比;(D) PIM-1和AO-PIM-1的H2S/CH4气体分离性能及其与报道体系对比;(E) AO-PIM-1连续进料情况下对气体的渗透性;(F) AO-PIM-1连续进料情况下对气体的选择性。


  作者进一步调节进料压力,选择分离的混合气体的成分为20% H2S、20% CO2和60% CH4。结果表明,在35℃,进料压力为77bar时,AO-PIM-1滤膜对H2S/CH4的选择性高达75%,对于H2S的渗透性超过4000 Barrers,展现出了极为优异的气体分离性能,同时滤膜具有优异的热稳定性,有望应用于天然气的杂质组分处理等相关领域。