聚酰亚胺中空纤维的应用探讨

聚酰亚胺中空纤维膜在气体分离、脱水分离及有机物分离方面具有重要的应用前景。

能源与环境一直是全球普遍关注的焦点。在当今世界能源匮乏、环境污染严重的情况下，高分子气体分离膜因具有能从混合气体中分离某一气体，且兼具效率高、能源低、无污染、使用简单等特点而备受关注，在过去几十年中得到了快速发展，如石油天然气冶炼厂的气体分离、开采的生物沼气中甲烷的分离、医院呼吸科氧气供应等各个部门都广泛应用了气体分离膜。温室效应导致全球气候变暖，给生态环境和社会发展带来了严重的影响，其中，CO2 对温室效应的影响最大，因此，亟须对大气中低浓度CO2 进行分离和回收。开采的生物沼气中除了含有甲烷外，还含有高浓度CO2 和其他酸性气体（H2S），这些气体的存在会降低天然气的燃烧热值，并且长期使用还存在腐蚀设备和气体运输管道的安全隐患。因此，聚酰亚胺中空纤维膜的一个重要应用领域是CO2/CH4 的分离，如用于高压开采天然气过程中CO2 的回收，生物沼气中CO2 的去除。与CH4 相比，CO2 沸点高、极性大，使其具有较大的溶解度系数，所以易于进行膜分离，近年来提纯氢气（CO2/H2 分离）及捕集工业废气中CO2（CO2/N2 分离）的分离膜也备受关注。另外，采用干喷—湿纺技术制备的化学交联不对称P84 聚酰亚胺中空纤维膜对H2/CO2 具有高效分离作用，当与10%的DAMP 水溶液进行化学交联后，在25℃、给水压力为100kPa 条件下，纤维膜对H2/CO2 的分离系数从5.3 升至16.1，而H2 透过率从7.06×10-8 m3（STP）/（m2·h·Pa）减至1.01×10-8 m3（STP）/（m2·h·Pa）［38］。Niwa等人［39］采用干/湿相转换方法制备了一种新型聚酰亚胺中空纤维氧合器，提高O2 和CO2 的气体转换率，且在体外和体内具有良好的血液相容性。

聚酰亚胺中空纤维膜对水气的分离脱除效果非常明显，如Matrimid 聚酰亚胺不对称中空纤维可用于异丙醇的渗透汽化脱水，采用1，3-丙烷二胺在高温和/或化学交联条件下进行热退火处理，所得的中空纤维膜对异丙醇的通量和分离因子分别上升至1.8 kg/（m2·h）和132。Wang等人［40］采用干喷—湿纺相转化技术制备的PBI/P84 聚酰亚胺双层中空纤维膜，通过渗透蒸发的方式可脱去四氟丙醇中的水分，60℃条件下其渗透通量为332 g/（m2·h）。(www.xing528.com)

聚酰亚胺中空纤维膜对部分有机物的分离也有一定的效果。Chenar等人［41］研究了商用聚（2，6-二甲基-1，4-苯基氧化物）（PPO）和聚酰亚胺复合中空纤维膜从甲烷中去除硫化氢的性能，发现当甲烷中硫化氢浓度范围为101～401 mg/kg 时，硫化氢的存在使甲烷渗透率降低，而PPO 膜性能不受影响，PI和PPO复合膜对硫化氢/甲烷的分离系数分别为6和4。Kung等人［42］ 将市售聚苯并咪唑和聚酰亚胺混合，通过干喷—湿纺相转化技术制备不对称中空纤维膜，用于甲苯/标准异辛烷的分离，发现当压力为1 kPa，甲 苯/标准异辛烷质量分数比为50 ∶50 时，分离系数达200，通量为1.35 kg/（m2·h）。此外，聚酰亚胺/磺化聚醚砜中空纤维膜对甲醇/甲基叔丁基醚的分离具有明显的效果［43］。

此外，聚酰亚胺中空纤维膜进行改性后对如Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+、Zn2+、等重金属离子以及NaCl 等也具有很好的排斥效果，从而起到分离作用［44］。