文獻(xiàn)分享 | 聚酰亞胺中空纖維膜在城市固廢垃圾能源化富氧氣體（OEG）生產(chǎn)中的應(yīng)用

引言：

新加坡南洋理工大學(xué)Chong Yang Chuah團(tuán)隊聯(lián)合韓國科學(xué)技術(shù)院等機(jī)構(gòu)在《Journal of Membrane Science》（2021年，第640卷，119787頁，5年平均影響因子8.8）發(fā)表研究，開發(fā)了無缺陷不對稱Matrimid® 5218聚酰亞胺中空纖維膜并規(guī)模化集成2英寸模塊，借助GTR-Tec GTR-11氣體透過率測試儀完成性能表征，為城市固廢（MSW）氣化提供中等純度富氧氣體（OEG），推動垃圾能源化技術(shù)升級。

摘要（Abstract）

城市固體廢物（MSW）氣化是一項有吸引力的垃圾能源化（WTE）技術(shù)，因其能產(chǎn)生可作為替代能源的合成氣，有望成為未來固體廢物處理的重要方向。然而，所產(chǎn)合成氣的品質(zhì)未能達(dá)到預(yù)期。一種可行的解決方案是采用富氧氣體（OEG）提升合成氣品質(zhì)，但富氧氣體的制備成本較高。本文中，我們以Matrimid® 5218聚酰亞胺為原料，制備了無缺陷不對稱中空纖維膜，并將其規(guī)模化擴(kuò)展為2英寸膜模塊。該模塊的有效表面積可達(dá)2.6平方米，填充密度為44%，可產(chǎn)出氧氣純度45%的富氧氣體。

我們將這款2英寸膜模塊集成至實驗室規(guī)模的氣化系統(tǒng)中，以校園收集的城市固體廢物制備的垃圾衍生燃料（RDF）為原料進(jìn)行合成氣制備。在此之前，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)氣化溫度、氧氣純度和當(dāng)量比（ER），完成了實驗室規(guī)模氣化工藝的參數(shù)優(yōu)化。隨后，開展了基于膜分離技術(shù)制備的富氧氣體（OEG）氣化城市固體廢物的實驗，并與空氣氣化、同等氧氣純度的合成富氧氣體氣化進(jìn)行對比。結(jié)果表明，在氧氣純度45%、氣化溫度900℃、當(dāng)量比0.15的條件下，合成氣品質(zhì)顯著提升，其低位發(fā)熱值（LHV）達(dá)9.15兆焦/立方米，氫碳比（H?/CO）為1.43，顯著高于空氣氣化（低位發(fā)熱值5.38兆焦/立方米、氫碳比0.81）。

基于膜分離技術(shù)的富氧氣體氣化與合成富氧氣體氣化的實驗結(jié)果相近，而過程模擬結(jié)果顯示，膜分離制氧技術(shù)的能耗比低溫蒸餾和變壓吸附（PSA）低至少2倍。綜上，本概念驗證實驗成功證實了膜分離技術(shù)制備中等氧氣純度（即40%-50%）富氧氣體的可行性與競爭力，可為城市固體廢物氣化垃圾能源化提供支撐。

氣體滲透評估

初始篩選階段，基于表1所述紡絲條件制備的中空纖維膜，其性能通過GTR-Tec GTR-11氣體透過率測試系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行評估。組裝含20根中空纖維的實驗室規(guī)模膜模塊，測試在25℃、1巴進(jìn)料壓力下開展。氦氣（He，純度>99.995%）和空氣（N?/O?=79/21，N?純度≥99.995%，O?純度≥99.8%）購自新加坡液化空氣集團(tuán)，其中氦氣和空氣分別持續(xù)流經(jīng)中空纖維的殼程和管程，流量由質(zhì)量流量控制器調(diào)控。

（GTR-Tec GTR-11氣體透過率測試系統(tǒng)）

隨后以氦氣為載氣，將滲透氣帶入氣相色譜儀中定期檢測，直至收集的滲透氣流無明顯波動，進(jìn)而獲取氧氣和氮氣的濃度數(shù)據(jù)，最終用于計算氣體滲透通量和O?/N?選擇性。通過選取具有代表性的實驗室規(guī)模膜模塊，開展長期膜性能測試（聚焦O?滲透通量和O?/N?選擇性），以驗證Matrimid聚合物可能存在的物理老化效應(yīng)。長期測試持續(xù)24周，測試期間膜始終置于80℃環(huán)境中，以加速聚合物基質(zhì)的老化。將聚合物基質(zhì)置于高溫環(huán)境加速物理老化，其原理是聚合物鏈的老化速率與其特征松弛時間呈反比，而特征松弛時間本身是溫度的函數(shù)（詳見補(bǔ)充數(shù)據(jù)Note S1）。

與采用商用滲透系統(tǒng)評估的實驗室規(guī)模模塊不同，2英寸中空纖維膜模塊的性能測試采用圖2所示實驗裝置。根據(jù)圖2的配置，以空氣（與實驗室規(guī)模模塊測試所用空氣的組成和純度一致）為進(jìn)料氣，通過氧氣儀和流量計分別測定滲透氣的氧氣純度（%）和流量（毫升/分鐘）。

結(jié)論：

綜上，我們成功實現(xiàn)了無缺陷不對稱Matrimid中空纖維膜的規(guī)模化擴(kuò)展，制備出2英寸原型模塊，其有效表面積達(dá)2.6平方米，氧氣純度45%，富氧氣體（OEG）流量約2升/分鐘。該2英寸中空纖維膜模塊已與實驗室規(guī)模氣化系統(tǒng)集成，以真實城市固體廢物（MSW）制備的垃圾衍生燃料（RDF）為原料，開展富氧氣化實驗。

結(jié)果表明，膜基富氧氣體與合成富氧氣體效果相當(dāng)，可產(chǎn)出高品質(zhì)合成氣，其低位發(fā)熱值（LHV）較空氣氣化提升41%。分別基于過程模擬和文獻(xiàn)研究結(jié)果，膜分離工藝的能耗低于低溫蒸餾和變壓吸附（PSA）工藝，這意味著在無需高純度氧氣的應(yīng)用場景中，膜基富氧氣體制備技術(shù)具有競爭力。

總體而言，本概念驗證實驗成功實現(xiàn)了膜基富氧氣體制備技術(shù)在城市固體廢物氣化中的規(guī)模化應(yīng)用，為該技術(shù)的可行性、預(yù)期效果及不同空氣分離工藝支撐垃圾能源化（WTE）技術(shù)的潛在價值提供了重要參考。