当海上气田开采出含23% H₂S的“酸性天然气”时，传统分离技术要么能耗高如“蒸馒头用十斤煤”，要么在高压下“罢工”。我国科研团队最新研发的碳分子筛膜（CMSMs），通过精准调控孔隙结构，在700 psi高压下实现CO₂/CH₄选择性超200、H₂S/CH₄选择性超100，性能较传统聚合物膜提升3倍，且连续运行1000小时无衰减。相关成果近日发表于《Frontiers of Chemical Science and Engineering》，为高酸性气田开发提供了“耐压耐腐”的绿色解决方案。

传统膜“高压疲软”，碳分子筛膜成“硬核选手”

全球40%的天然气含有H₂S和CO₂，处理不当会导致管道腐蚀（年损失超百亿美元）、燃烧热值下降40%。传统聚合物膜虽能耗比胺吸收法低30%，却像“娇弱的海绵”——在高压下易发生“塑料化”（孔径膨胀导致选择性暴跌），例如聚酰亚胺膜在300 psi以上CO₂分压下，选择性会下降50%。

“碳分子筛膜是‘钢铁硬汉’。”研究团队解释，通过将聚合物前体（如酚醛树脂、聚酰亚胺）在600-1000℃惰性气氛下热解，形成0.3-0.5 nm的微孔网络，如同“在纳米尺度刻出精密筛孔”。这种刚性结构使其在800 psi下仍保持稳定，H₂S渗透性达50 barrer，H₂S/CH₄选择性超100，是橡胶态聚合物膜的5倍。

三步“热解魔法”，孔隙结构“精准雕刻”

团队开发的CMSMs制备工艺包含三大创新：

• 前体分子设计：选用含刚性基团的聚酰亚胺（如6FDA-DAM），热解后形成“梯形骨架”，微孔体积达0.7 cm³/g，比传统CMSMs提升40%；
• 梯度升温控制：以5℃/min速率升温至800℃，避免快速热解导致的孔径分布不均，CO₂/CH₄选择性突破200，远超Robeson上限；
• 表面改性：通过氨气活化引入吡啶氮位点，增强H₂S吸附能力，使H₂S渗透性从30 barrer提升至50 barrer，如同“给筛子内壁加装磁铁”。

在模拟高酸性天然气（H₂S 20%、CO₂ 15%、CH₄ 65%）测试中，该CMSMs表现亮眼：H₂S渗透通量达1.2×10⁻⁶ mol/(m²·s·Pa)，H₂S/CH₄选择性105，将H₂S浓度从20%降至4 ppm以下（管道输送标准），能耗仅为胺吸收法的1/3。

混合基质膜“强强联合”，突破性能“天花板”

为进一步提升渗透性，团队开发“聚合物+分子筛”混合基质膜（MMMs）：将ZIF-8纳米颗粒（孔径0.34 nm）掺入PIM-1基质，形成“高速通道”。结果显示，MMMs的CO₂渗透性达800 barrer，CO₂/CH₄选择性35，较纯PIM-1膜渗透性提升2倍，选择性保持不变，成功突破“渗透性-选择性权衡效应”。

“这就像在高速公路旁开了‘VIP车道’。”研究人员比喻，ZIF-8纳米颗粒提供快速扩散路径，PIM-1基质则通过固有微孔拦截CH₄分子。在1000小时稳定性测试中，MMMs的性能衰减仅3%，优于纯聚合物膜的15%。

海上气田“实战”：耐腐耐压还抗污染

针对海上高盐、高湿度环境，团队对CMSMs进行“三防升级”：

• 耐腐涂层：表面涂覆50 nm厚的聚硅氧烷，耐H₂S腐蚀能力提升10倍；
• 抗污染设计：引入氟基团降低表面能，防止重烃（如甲苯）堵塞 pores；
• 模块化组装：开发直径8英寸的中空纤维膜组件，单模块处理量达50万m³/天，适合海上平台狭小空间安装。

目前，该技术已在我国南海某高酸性气田完成中试，处理后天然气H₂S含量<5 ppm，CO₂<2%，年减排CO₂ 2万吨，节约能耗成本4000万元。

未来挑战：规模化制备与长期稳定性

尽管前景广阔，CMSMs仍需跨越“量产关”：热解过程易导致膜脆化，良率仅60%；MMMs的纳米颗粒分散不均会形成缺陷。团队计划开发“3D打印+梯度热解”工艺，目标2026年实现吨级生产，成本降至20美元/m²。

论文通讯作者指出：“碳分子筛膜和混合基质膜的突破，让我国在天然气净化领域从‘跟跑’变为‘领跑’。下一步将瞄准页岩气、沼气等领域，推动低碳能源高效利用。”

来源: 化学工程前沿FCSE