天然气作为一种清洁、可靠的能源，为全球不断增长的能源需求提供了关键支持。但天然气中往往混有不同类型的酸性气体，例如二氧化碳、硫化氢等，这些气体容易对工艺设备和输送管道造成腐蚀；此外，H2S的高毒性会引起安全性问题。传统的化学清洗法需要大型吸收塔和较高成本，这一定程度上限制其进一步的应用。
气体分离膜技术具有可操作性强、便捷、成本低和效率高等优点。其中玻璃态聚酰亚胺的分离CO2/CH4主要靠扩散选择性，但由于分离硫化氢主要靠临界温度，并且硫化氢和甲烷之间具有较小的尺寸差异，如何同时分离CO2和H2S是目前的一大挑战。另外玻璃态聚酰亚胺膜的增塑被认为是CO2/CH4分离的缺点，酸性气体易导致聚酰亚胺分离膜溶胀、塑化，导致膜的选择性下降。因此如何设计分离膜的化学结构来调节其对不同气体的分离能力呢？
为了解决以上难题，乔治亚理工学院的William J. Koros院士巧妙地设计了一种分离性能可调、适用于复杂组分酸性气体的聚酰亚胺分离膜，并且CO2/H2S对于其增塑行为的影响同样也可以进行调控，相比于商用膜材料具有不可比拟的优势。在总压力为700psi的条件下，当DAM:DABA投料比为3:2时，膜对H2S和CO2的渗透率分别为106.7 Barrers和97.7 Barrers，H2S/CH4和CO2/CH4的选择性分别可达24.5和22.4。此项研究在成分复杂的天然气分离领域可以“因地制宜”，为开发复杂条件下的新型酸性气体分离膜提供了新方法。该项成果以题为“Molecularly Engineered 6FDA-based Polyimide Membranes for Sour Natural Gas Separation”发表在《Angewandte Chemie International Edition》（见文后全文链接）。
【图文解读】
聚酰亚胺化学组成的调节:首先研究者合成了系列具有含氟二酐的聚酰亚胺分离膜，通过调整三甲基二胺（DAM）和含羧基二胺（DABA）的比例来控制其化学结构和气体分离性能。然后通过核磁氢、热分析和X射线衍射等手段证实的1:2、1:1和3:2投料比下材料的结构和组成，通过调整投料比对分离膜的化学组成具有很好的可控性。
不同投料比下膜对单一气体渗透测试：实验结果表明增加主链中DAM的比例对于CO2/CH4和H2S/CH4的影响不同。聚合物主链中比例为3:2展现最高的二氧化碳渗透性，比例为1:2展现最高的CO2/CH4选择性，可以通过调节比例来平衡对于二氧化碳的渗透性和选择性；而增加主链中DAM的比例同样可以提高硫化氢的渗透性，但其选择性几乎没有下降。
不同投料比下膜在混合气体中的分离效果：在三元混合气体中，可以通过膜的化学结构来控制膜的链堆积和增塑行为。随着DAM成分的增加，膜的增塑行为上升，有利于H2S/CH4分离，但CO2/CH4的选择性有一定下降。当总压力为700psi时，在3:2的投料比下膜对于硫化氢和二氧化碳的渗透率分别为106.7 Barrers和97.7 Barrers，同时拥有相接近的选择性（24.5和22.4）。即当硫化氢成分较多的情况下，更多的DAM成分有助于提升膜的性能。
不同玻璃态聚合物分离膜与6FDA-DAM:DABA膜对比：在总压力为700psi的情况下，与工业醋酸纤维素膜相比，6FDA-DAM:DABA（3:2）膜具有更高的混合气体渗透性，并且选择性相当。并且可以通过调整膜的化学成分获得不同需求的分离膜，相对于其他商用体系的膜材料具有不可比拟的优势。
【小结】
综上所述，研究者开发了一种具有分离性能可调、适用于不同组分的酸性气体的聚酰亚胺分离膜，具有极其广泛的应用范围。通过控制化学组成来调整其最佳的分离膜组成，通过研究膜的结构与其分离性能之间的关系，为设计新型、可调的多功能气体分离膜提供了新思路和理论指导。
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