聚酰亚胺中空纤维膜在城市固废垃圾能源化富氧气体生产中的应用

文献分享 | 聚酰亚胺中空纤维膜在城市固废垃圾能源化富氧气体（OEG）生产中的应用

引言：

新加坡南洋理工大学Chong Yang Chuah团队联合韩国科学技术院等机构在《Journal of Membrane Science》（2021年，第640卷，119787页，5年平均影响因子8.8）发表研究，开发了无缺陷不对称Matrimid® 5218聚酰亚胺中空纤维膜并规模化集成2英寸模块，借助GTR-Tec GTR-11气体透过率测试仪完成性能表征，为城市固废（MSW）气化提供中等纯度富氧气体（OEG），推动垃圾能源化技术升级。

摘要（Abstract）

城市固体废物（MSW）气化是一项有吸引力的垃圾能源化（WTE）技术，因其能产生可作为替代能源的合成气，有望成为未来固体废物处理的重要方向。然而，所产合成气的品质未能达到预期。一种可行的解决方案是采用富氧气体（OEG）提升合成气品质，但富氧气体的制备成本较高。本文中，我们以Matrimid® 5218聚酰亚胺为原料，制备了无缺陷不对称中空纤维膜，并将其规模化扩展为2英寸膜模块。该模块的有效表面积可达2.6平方米，填充密度为44%，可产出氧气纯度45%的富氧气体。

我们将这款2英寸膜模块集成至实验室规模的气化系统中，以校园收集的城市固体废物制备的垃圾衍生燃料（RDF）为原料进行合成气制备。在此之前，通过优化调节气化温度、氧气纯度和当量比（ER），完成了实验室规模气化工艺的参数优化。随后，开展了基于膜分离技术制备的富氧气体（OEG）气化城市固体废物的实验，并与空气气化、同等氧气纯度的合成富氧气体气化进行对比。结果表明，在氧气纯度45%、气化温度900℃、当量比0.15的条件下，合成气品质显著提升，其低位发热值（LHV）达9.15兆焦/立方米，氢碳比（H₂/CO）为1.43，显著高于空气气化（低位发热值5.38兆焦/立方米、氢碳比0.81）。

基于膜分离技术的富氧气体气化与合成富氧气体气化的实验结果相近，而过程模拟结果显示，膜分离制氧技术的能耗比低温蒸馏和变压吸附（PSA）低至少2倍。综上，本概念验证实验成功证实了膜分离技术制备中等氧气纯度（即40%-50%）富氧气体的可行性与竞争力，可为城市固体废物气化垃圾能源化提供支撑。

气体渗透评估

初始筛选阶段，基于表1所述纺丝条件制备的中空纤维膜，其性能通过GTR-Tec GTR-11气体透过率测试系统系统进行评估。组装含20根中空纤维的实验室规模膜模块，测试在25℃、1巴进料压力下开展。氦气（He，纯度>99.995%）和空气（N₂/O₂=79/21，N₂纯度≥99.995%，O₂纯度≥99.8%）购自新加坡液化空气集团，其中氦气和空气分别持续流经中空纤维的壳程和管程，流量由质量流量控制器调控。

（GTR-Tec GTR-11气体透过率测试系统）

随后以氦气为载气，将渗透气带入气相色谱仪中定期检测，直至收集的渗透气流无明显波动，进而获取氧气和氮气的浓度数据，最终用于计算气体渗透通量和O₂/N₂选择性。通过选取具有代表性的实验室规模膜模块，开展长期膜性能测试（聚焦O₂渗透通量和O₂/N₂选择性），以验证Matrimid聚合物可能存在的物理老化效应。长期测试持续24周，测试期间膜始终置于80℃环境中，以加速聚合物基质的老化。将聚合物基质置于高温环境加速物理老化，其原理是聚合物链的老化速率与其特征松弛时间呈反比，而特征松弛时间本身是温度的函数（详见补充数据Note S1）。

与采用商用渗透系统评估的实验室规模模块不同，2英寸中空纤维膜模块的性能测试采用图2所示实验装置。根据图2的配置，以空气（与实验室规模模块测试所用空气的组成和纯度一致）为进料气，通过氧气仪和流量计分别测定渗透气的氧气纯度（%）和流量（毫升/分钟）。

结论：

综上，我们成功实现了无缺陷不对称Matrimid中空纤维膜的规模化扩展，制备出2英寸原型模块，其有效表面积达2.6平方米，氧气纯度45%，富氧气体（OEG）流量约2升/分钟。该2英寸中空纤维膜模块已与实验室规模气化系统集成，以真实城市固体废物（MSW）制备的垃圾衍生燃料（RDF）为原料，开展富氧气化实验。

结果表明，膜基富氧气体与合成富氧气体效果相当，可产出高品质合成气，其低位发热值（LHV）较空气气化提升41%。分别基于过程模拟和文献研究结果，膜分离工艺的能耗低于低温蒸馏和变压吸附（PSA）工艺，这意味着在无需高纯度氧气的应用场景中，膜基富氧气体制备技术具有竞争力。

总体而言，本概念验证实验成功实现了膜基富氧气体制备技术在城市固体废物气化中的规模化应用，为该技术的可行性、预期效果及不同空气分离工艺支撑垃圾能源化（WTE）技术的潜在价值提供了重要参考。