膜分离——沼气提纯脱碳

膜分离技术在沼气提纯脱碳（主要去除CO₂）中的应用是一种高效、节能且环保的方法，能够将沼气（主要含CH₄和CO₂）提纯为生物甲烷（CH₄浓度＞95%），满足管道天然气或车用燃料标准。以下是该技术的核心要点解析：

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1. 膜分离原理

选择性渗透：利用CO₂和CH₄在膜材料中的渗透速率差异。CO₂分子较小且极性更强，比CH₄更快透过膜，从而实现分离。

驱动力：压力差（通常0.5-3 MPa）是分离的关键，高压侧富集CH₄，低压侧富集CO₂。

2. 常用膜材料

聚合物膜：

聚酰亚胺（PI）、聚砜（PS）：高选择性（CO₂/CH₄分离系数20-50），但渗透性较低。

醋酸纤维素（CA）：成本低，但易塑化。

复合膜：如聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层增强表面选择性。

新型材料：金属有机框架（MOFs）、碳分子筛膜（CMS）等处于研发阶段，潜力大。

3. 工艺流程设计

单级膜系统：简单但CH₄回收率低（~80%），适合低处理量场景。

多级串联/循环：

两级膜系统：第一级提纯CH₄，第二级回收残余CH₄，回收率可达95%以上。

渗透气循环：将部分渗透气回流以提高CH₄浓度。

集成工艺：

膜+PSA：联合变压吸附进一步提纯。

膜+胺吸收：处理低浓度沼气时更经济。

4. 关键操作参数

压力比：高压侧压力与低压侧压力之比，影响分离效率。

温度：通常控制在20-50℃（避免膜材料老化）。

沼气组成：CO₂含量（通常30-50%）、H₂S（需预处理至＜100 ppm以防膜腐蚀）。

5. 技术优势

能耗低：约0.2-0.3 kWh/Nm³沼气，比胺吸收法低30%以上。

无化学品：避免胺液再生带来的污染。

模块化设计：易于扩容，适合中小型沼气工程（50-2000 Nm³/h）。

6. 挑战与解决方案

膜污染：粉尘、水分等导致性能下降。

预处理：脱水（冷凝+吸附）、除尘（过滤器）、脱硫（活性炭或生物脱硫）。

塑化问题：CO₂高压下使聚合物膜膨胀。

解决方案：采用交联改性膜或刚性材料（如PI）。

成本：膜组件占初始投资40-60%，但寿命可达5-8年。

7. 经济性与应用

投资成本：约1000-2000欧元/Nm³/h（规模依赖）。

甲烷损失：优化设计可控制在＜2%。

应用场景：垃圾填埋场、农业沼气厂、污水处理厂等。