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

引言：

新加坡南洋理工大學Chong Yang Chuah團隊聯合韓國科學技術院等機構在《Journal of Membrane Science》（2021年，第640卷，119787頁，5年平均影響因子8.8）發表研究，開發了無缺陷不對稱Matrimid® 5218聚酰亞胺中空纖維膜并規模化集成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，因其能產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，所產合成氣的品質未能達到預期。一種可行的解決方案是采用富氧氣體（OEG）提升合成氣品質，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，并將其規模化擴展為2英寸膜模塊。該模塊的有效表面積可達2.6平方米，填充密度為44%，可產出氧氣純度45%的富氧氣體。

我們將這款2英寸膜模塊集成至實驗室規模的氣化系統中，以校園收集的城市固體廢物制備的垃圾衍生燃料（RDF）為原料進行合成氣制備。在此之前，通過優化調節氣化溫度、氧氣純度和當量比（ER），完成了實驗室規模氣化工藝的參數優化。隨后，開展了基于膜分離技術制備的富氧氣體（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行對比。結果表明，在氧氣純度45%、氣化溫度900℃、當量比0.15的條件下，合成氣品質顯著提升，其低位發熱值（LHV）達9.15兆焦/立方米，氫碳比（H?/CO）為1.43，顯著高于空氣氣化（低位發熱值5.38兆焦/立方米、氫碳比0.81）。

基于膜分離技術的富氧氣體氣化與合成富氧氣體氣化的實驗結果相近，而過程模擬結果顯示，膜分離制氧技術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系統進行評估。組裝含20根中空纖維的實驗室規模膜模塊，測試在25℃、1巴進料壓力下開展。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，其中氦氣和空氣分別持續流經中空纖維的殼程和管程，流量由質量流量控制器調控。

（GTR-Tec GTR-11氣體透過率測試系統）

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，進而獲取氧氣和氮氣的濃度數據，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。長期測試持續24周，測試期間膜始終置于80℃環境中，以加速聚合物基質的老化。將聚合物基質置于高溫環境加速物理老化，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（詳見補充數據Note S1）。

與采用商用滲透系統評估的實驗室規模模塊不同，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。根據圖2的配置，以空氣（與實驗室規模模塊測試所用空氣的組成和純度一致）為進料氣，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）。

結論：

綜上，我們成功實現了無缺陷不對稱Matrimid中空纖維膜的規模化擴展，制備出2英寸原型模塊，其有效表面積達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模氣化系統集成，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。

結果表明，膜基富氧氣體與合成富氧氣體效果相當，可產出高品質合成氣，其低位發熱值（LHV）較空氣氣化提升41%。分別基于過程模擬和文獻研究結果，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用場景中，膜基富氧氣體制備技術具有競爭力。

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