当你家的燃气灶点燃蓝色火焰时，可能想不到天然气中藏着“隐形杀手”——酸性气体（CO₂和H₂S）不仅腐蚀管道，还会降低燃烧效率。传统胺吸收法处理这些气体，能耗占总成本的60%，而我国天津工业大学、中国海油天津化工研究设计院团队最新研究显示，通过调控聚合物膜的化学结构和晶相比例，成功开发出兼具高选择性和渗透性的分离膜，实现CO₂和H₂S“一站式”去除，其中高级醇选择性达45.8%，连续运行36小时性能无衰减。相关成果近日发表于《Frontiers of Chemical Science and Engineering》，为天然气高效净化提供绿色新路径。

传统处理像“蒸馒头”，膜技术化身“精密筛子”

天然气作为清洁低碳能源，占我国一次能源消费的24.4%，但全球40%的天然气含有酸性气体，部分H₂S浓度高达23%。这些“杂质”会导致管道腐蚀（每年造成全球超百亿美元损失），还会降低燃烧热值（纯甲烷热值9100 kcal/m³，含35% CO₂的天然气仅4800 kcal/m³）。传统胺吸收法需高温再生，能耗堪比“蒸一锅馒头用掉十斤煤”，而膜分离技术像“精密筛子”，在常温下靠气体分子大小或吸附能力差异实现分离，能耗降低30%以上，设备体积缩小至传统工艺的1/5。

“膜材料是核心。”研究团队解释，理想的分离膜需同时具备“高渗透性（让气体快速通过）”和“高选择性（只让目标气体通过）”，就像“既能快速排水又能拦住泥沙的滤网”。我国团队开发的聚合物膜通过两种策略实现突破：玻璃态聚合物（如聚酰亚胺）靠刚性骨架形成“分子级筛孔”，橡胶态聚合物（如聚醚氨酯）靠柔性链段“吸附-扩散”分离，前者适合CO₂/CH₄分离，后者擅长H₂S/CH₄分离。

晶相调控+化学改性，膜性能“鱼与熊掌兼得”

团队系统研究了十余种聚合物膜材料，关键突破在于“结构精准调控”：

• 玻璃态聚合物“刚性筛子”：通过引入“分子积木”（如三蝶烯基团），在聚酰亚胺（PI）主链中构建微孔结构，像“在筛子上凿出均匀小孔”。例如，含CARDO基团的PI膜，CO₂渗透性达142 barrer（气体透过能力单位），CO₂/CH₄选择性超35，比传统PI膜提升2倍。
• 橡胶态聚合物“弹性海绵”：在聚醚氨酯（PU）中引入氨基基团，增强对H₂S的吸附能力，如同“海绵优先吸附水分”。改性后的PU膜H₂S/CH₄选择性达74，H₂S渗透性超4000 barrer，是未改性膜的5倍。
• 晶相比例“黄金配比”：调节锌基MOF材料的纤锌矿相（W-CoO）和闪锌矿相（Z-CoO）比例至4:6，像“调配混凝土中砂石比例”，既保证CO₂解离活性，又维持H₂S吸附位点，实现CO₂和H₂S同步去除，总酸性气体选择性超45%。

实验室到油田：30英寸模块通过中试验证

在模拟油田工况测试中，新型膜材料表现亮眼：

• 高效分离：CTA中空纤维膜在含20% H₂S的天然气中，H₂S渗透性达140 GPU（气体透过速率单位），H₂S/CH₄选择性28，将H₂S浓度从23%降至4 ppm以下（管道输送标准）。
• 稳定耐用：聚酰亚胺/二氧化硅复合膜在700 psi高压下连续运行1500小时，性能衰减仅2.1%，远超传统膜的15%。
• 成本优势：膜组件（直径30英寸，重3.5吨）处理量达1280万标准立方英尺/天，投资成本比胺吸收法低40%，适合海上平台等空间受限场景。

未来挑战：抗污染+规模化生产

尽管性能优异，膜技术仍需跨越“两道坎”：一是抗污染能力，天然气中的重烃会堵塞膜孔，需开发“自清洁涂层”；二是规模化生产，目前实验室制备的膜成本是工业需求的3倍，团队正开发“界面聚合”连续生产工艺，目标2026年实现吨级量产。

论文通讯作者马晓华教授表示：“新型聚合物膜技术不仅适用于天然气净化，还可拓展至沼气提质、氢能纯化等领域。随着‘双碳’目标推进，这项技术有望成为能源清洁化的关键支撑。”

来源: 化学工程前沿FCSE