甲烷—氮气分离膜研究进展及展望

陈 雷 李东泽 刘 刚 崔 鹏 杜 伟

1.中国石油大学（华东）山东省油气储运安全省级重点实验室 2. 中国石油大港油田公司采油工艺研究院3. 国家石油天然气管网集团有限公司西气东输公司

1 研究简况

甲烷是全球第二大温室气体，其20年水平的全球增温潜势是二氧化碳的84倍，我国在“十四五”规划中首次明确加大甲烷的控制力[1]。油气行业是甲烷主要排放源之一，据国际能源署最新统计数据表明，2020年油气行业甲烷排放量达7 200×104t[2]。甲烷具有资源属性，采取合适的措施可以大大降低甲烷的减排成本，甚至实现负成本减排[3]。在实际生产过程中，甲烷往往与氮气同时排放，例如，页岩气、煤层气的开采过程[4-5]，油气田注氮气驱开采过程[6-8]，天然气管道投产注氮置换过程[9-10]，LNG储罐冷却时的BOG排放过程[11-12]，未稳定液烃储罐进料闪蒸与呼吸过程等[13-15]。由于具有相似的理化性质与分子动力学直径（CH4为0.38 nm，N2为0.364 nm，图1），甲烷和氮气的分离被认为是最具有挑战性的气体分离工作之一[16-17]。

图1 不同复杂程度混合物分离难度等级分类图[17]

传统气体分离技术中，低温精馏法能耗高，吸收法回收率低，吸附法对甲烷和氮气的吸附量和选择性差[18-20]。膜法气体分离技术是一种新型的环境友好型分离技术，具有低能耗、高效率、操作简单等优点，近些年来成为学术界和工业界普遍关注的先进分离技术[21]。笔者以聚合物膜、无机膜、MOF膜为对象，综述了近年来用于CH4/N2分离的膜材料研究进展、存在的主要问题以及可行的解决途径，探讨了CH4/N2膜分离技术的未来研究方向，以期为开展基于膜分离技术的甲烷减排、回收方法研究提供参考依据。……