据塑料工程师学会北京分会微信公众平台2017年9月25日讯 具有吸附通道的聚酰亚胺中空纤维膜捕集器可为燃料电池应用提供无硫氢源，该吸附通道能够去除氢燃料中的硫。
　　目前，氢气是可持续能源中最干净的资源。然而，如何安全有效地使用氢气这个问题仍然存在。在目前可用的选择中，燃料电池是有效和可靠地使用氢能的有前景的途径。烃碳燃料，其可以通过蒸汽重整过程转化为用于燃料电池应用的氢气，是汽车燃料电池理想的氢源。为了防止燃料电池体系中的催化剂被含硫物质污染并且减少二氧化硫排放，故而非常希望烃燃料是脱硫的。
　　然而，从液态碳氢化合物燃料中除去硫是常规工艺中的挑战性问题。近年来，出现的脱硫方法包括加氢脱硫、氧化、萃取、生物脱硫和吸附。不过，这些过程的除硫效率和成本是不可观的。

图1．我们制备无硫氢源的中空纤维膜捕集器示意图

　　含有硫化物的烃燃料流过装置膜内的微孔吸附通道。这里，作为功能性填充剂嵌入到膜中的掺银Y型沸石颗粒能够吸附硫，从而将其捕获在膜内。然后可以对出口处的脱硫烃燃料进行蒸汽重整过程，从而能够产生用于燃料电池堆的无硫氢气。
　　在我们的工作中，我们寻求开发一种无硫燃料的生成方法（即可以用作氢源而不产生有毒的副产物）。为此，我们提出了一种用于从燃料中除去硫的中空纤维膜捕集器。在我们的装置中，当由烃和硫化合物构成的燃料进料过程中通过膜时（其中沸石是使能材料），硫化物被捕获。因此，我们的中空纤维膜捕集器输出的是用于燃料电池应用的无硫氢源（如图1所示）。我们的设备具有许多优点，包括其单位体积的表面积大、低分离模块体积（由于紧凑的光纤组装）、操作成本低并且易于实现。
　　为了开发硫的捕集装置，我们提出了制备高性能聚酰亚胺（PI）中空纤维膜的新方法。在我们的方法中，我们调整了PI的酰亚胺化行为。我们使用均苯四酸二酐和4,4'-二氨基二苯醚作为单体来制备初始的聚酰胺酸（PAA）溶液。然后，在酰亚胺化过程中，我们依次在100℃（1h）、150℃（1h）、200℃（1h）、250℃（1h）和300℃（1h）下逐步加热。因此，通过控制酰亚胺化行为，我们能够制造具有良好耐热性、耐溶剂性和机械强度的PI膜。为了引入脱硫功能，我们将掺杂银的Y型沸石（AgY）颗粒嵌入膜中作为功能填料。AgY沸石表面的银离子通过π键与噻吩硫结合。当烃燃料通过装置内的膜时，发生硫的吸附（由于强的π络合作用力），从而出口处的燃料是无硫的。

　　图2显示了使用我们的制造方法在膜中获得的优异的中空结构和自支撑进料通道。中空纤维膜的外径约为1150μm，每个隔膜被约250μm的区域（聚酰亚胺基体）分隔开。放大的图像显示膜基体具有丰富的孔（即三维工作通道和微环境）。大量的通道为进料流提供了路径，从而能够处理更大体积的燃料，这是高工作效率的关键。

　　与没有沸石的中空纤维装置相比，我们装置的实际脱硫性能如图3所示。在处理期间，燃料以连续的方式渗透膜。原始PI膜的突破点首先出现，见图3（a），这表明硫化物不结合，因为膜基体中没有沸石颗粒。相比之下，图3（b-d）显示了我们的AgY官能化聚酰亚胺中空纤维膜捕获器（具有2,4和8根纤维）的突破曲线。在所有情况下，入口进料可以脱硫至0.1mg L-1以下，这表明硫与纤维有效结合。
　　总之，我们设计并制造了一种具有多种结构（即自支撑通道、吸附通道和结合位点）的中空纤维膜捕集器，使得有机分子能够与装置内的AgY沸石结合。因此，我们的捕集器允许从烃燃料中有效地除去硫化物，为应用于燃料电池的无硫氢源的生产提供了潜在的替代方案。我们正在开发一种具有更多中空纤维膜的捕集器，以加速我们设备的扩大应用。
　　作者信息
　　Ligang Lin，Tianjin Polytechnic University（天津工业大学）
　　Qi Cheng，Tianjin Polytechnic University
　　Kai Huang，Tianjin Polytechnic University
　　Tiantian Zheng，Tianjin Polytechnic University
　　Zhifu He，Tianjin Polytechnic University
　　Sisi Ma，Tianjin Polytechnic University
　　Ligang Lin is a professor of chemical engineering. His research interests range from specialized membranes for organic mixtures separation to ordered membranes for bioseparation.