专注于膜分离性能的沼气提纯技术

《Biomass and Bioenergy》：Biogas upgrading technologies with emphasis on membrane separation performance

生物天然气膜分离技术的研究进展及经济性评价，重点分析机器学习在优化膜承包商设计中的应用，探讨材料选择、工艺配置及规模化挑战。

　　

朱奈德·艾哈迈德（Junaid Ahmad）|里兹万·纳西尔（Rizwan Nasir）|穆罕默德·法希姆（Muhammad Faheem）|穆斯塔法·阿尔萨迪（Mustafa Alsaady）|库拉姆·马克苏德（Khuram Maqsood）|查瓦利特·恩甘查鲁斯里维柴（Chawalit Ngamcharussrivichai）

泰国曼谷帕图姆万（Pathumwan）朱拉隆功大学（Chulalongkorn University）理学院化学技术系，邮编10330

摘要

生物气的使用正在增加，为了减少温室气体排放，对其升级也至关重要，因为原始生物气中含有二氧化碳（CO₂），在使用前必须将其去除。有多种方法可用于生物气的升级。本综述评估了生物气技术的最新研究趋势，重点关注膜技术在生物气升级中的应用。通过文献计量分析发现，关于膜技术的学术研究明显增长。此外，该综述还探讨了膜材料、类型、配置以及生物气升级的经济评估。同时，也讨论了机器学习在通过膜技术进行生物气升级设计中的作用。研究最后指出了膜技术升级过程中面临的挑战及未来的研究方向。与传统生物气升级技术相比，膜技术可能是一个更好的选择，并有望在未来为能源供应做出重大贡献。

引言

过去几十年中，化石燃料被广泛用作工业过程和家庭活动的主要能源。因此，世界面临着能源供应和环境问题的日益严峻的挑战。专家预测未来三十年全球能源需求将增加三倍[1]。燃烧化石燃料产生的CO₂排放引发了人们对能源可持续性和环境保护的担忧。全球每年的CO₂排放量已超过36.6 GtCO₂[2]。然而，大气中CO₂水平的上升是由于排放与吸收之间的差距造成的[3]。可以通过减少排放源或增加CO₂的利用来降低CO₂排放。

由于化石燃料的枯竭及其环境影响，风能、水能、太阳能和生物质能成为替代能源[4]。从废物中提取的生物气已经经过数十年的研究并得到了商业化应用。生物气由甲烷和二氧化碳组成，这些成分可以通过有机物的厌氧消化产生，包括农业废弃物、草屑[5]、向日葵秸秆[6]、食物垃圾和废水污泥[5]。厌氧消化的主要步骤包括酸生成、水解、甲烷生成和醋酸生成[7]、[8]、[9]。生物气可以直接作为燃料使用，或者升级为生物甲烷，进而转化为多种形式的能源，如发电、供热和交通运输燃料[10]。

在过去二十年里，全球生物气产量增加了约420亿立方米，其中欧洲占总产量的55%以上，其次是亚洲和北美（国际能源署，2024年数据）。在中欧，过去十年间生物气厂的扩建得到了补贴，促进了当地能源结构的绿色化[11,12]。然而，较高的资本成本、不稳定的原料供应、监管问题以及新兴地区的基础设施不足是这一进展的主要障碍[13,14]。解决这些问题需要统一的监管框架、财政激励措施和全球合作，特别是在撒哈拉以南非洲和东南亚等欠发达地区。表1列出了基于填埋场和厌氧消化的生物气的典型成分，其中包含50–70%的甲烷（CH₄）、30–50%的二氧化碳（CO₂），以及少量微量气体如硫化氢（H₂S）、氨（NH₃）、水蒸气和硅氧烷[15,16]。为了更广泛的应用，生物气需要升级为高纯度气体，通常要求甲烷纯度超过95%[17]。升级过程包括去除CO₂和其他污染物，以达到管道或燃料的标准。目前有多种商业化的升级技术，包括水洗[18]、变压吸附（PSA）[19]、化学吸收[20]、低温蒸馏和膜分离[21]、[22]、[23]。选择哪种技术取决于规模、原料变化性、运营成本和甲烷回收效率[24]、[25]、[26]。应致力于通过回收减少环境负担。规划回收网络需要考虑多个目标并设定适当的优先级。尽管存在社会因素，环保技术仍显示出其盈利能力的重要性[27]。生物气的盈利能力不仅取决于其本身的利用，还取决于对生物气生产过程中产生的富含碳的残渣的进一步开发。一个典型的例子是生物炭，它可以由消化产物和废水污泥制成，可用于不同的行业，如生物肥料和绿色建筑材料[28]。这些途径为投资者和工厂所有者创造了额外的收入来源，从而减少了对政府补贴的依赖。全球生物气趋势表明，朝着更绿色的能源系统发展是一个积极的方向；然而，成功与否取决于创新、投资和国际知识交流的扩展。

生物气升级的文献计量分析

过去十年中，以膜分离技术为主的生物气升级研究显著增加，反映了学术界和工业界的兴趣。这表明在生物气升级领域仍有许多探索性研究的空间。根据Scopus数据，中国（约20%）和意大利（约19%）在生物气升级研究方面处于领先地位，其次是西班牙（约14%）以及其他欧洲和亚洲国家。关键词频率分析显示……

不同升级技术的概述

多年来，生物气升级技术主要集中在去除二氧化碳和硫化氢以及提高甲烷浓度以供进一步利用。已经使用了多种技术，如化学吸收、物理吸收、膜分离和低温工艺。物理吸收利用非反应性溶剂（如水或有机溶剂）来吸收杂质（CO₂和H₂S气体）[23,32,33]。不同的生物气升级技术……

通过膜技术进行生物气升级

近年来，膜技术在生物气升级中的主导地位显著增强。选择用于生物气升级的膜取决于多种因素，如膜的成本和材料可用性、对生物气中杂质的耐受性、热稳定性和化学稳定性，以及定义膜分离性能的基本参数：渗透性和选择性[47]、[48]、[49]。膜技术满足了这种对有效升级技术的需求

用于生物气升级的膜配置

科学文献中报道了多种膜配置，所选配置取决于所需的生物气纯度。通常，单步、两步或三步配置被用于生物气升级[22,50,86]。为了获得高纯度，多阶段过程更为合适[86]。最近，Koutsiantzi等人研究了一种使用两种商用聚酰亚胺膜的试点规模生物气升级系统的构建和运行。

通过膜技术进行生物气升级的机器学习

机器学习（ML）利用大量观测数据来揭示输入变量和输出变量之间的非线性关系，从而构建预测模型以应对未来的或不可观察的数据[93]。人工神经网络（ANNs）、K-最近邻（KNNs）和支持向量机（SVMs）已被用于建模非线性和复杂的关系[94]。在多个行业中，尤其是在生物气升级领域，人工智能成为一种变革力量。

挑战与未来研究方向

基于膜技术的生物气升级面临的挑战包括：

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由于成本高昂和使用寿命有限（1-5年），需要频繁更换膜。

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水、油滴、气溶胶和腐蚀性气体（包括H₂S）等杂质会对系统膜造成损害，需要有效的预过滤保护。杂质会导致膜性能下降[9]。

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系统的长期稳定性是一个问题，尤其是在大规模、高级应用中，这项技术更具成本效益

CRediT作者贡献声明

朱奈德·艾哈迈德（Junaid Ahmad）：撰写初稿、项目管理、方法论制定、数据整理、概念化。里兹万·纳西尔（Rizwan Nasir）：撰写初稿、概念化。穆罕默德·法希姆（Muhammad Faheem）：数据可视化、形式分析。穆斯塔法·阿尔萨迪（Mustafa Alsaady）：撰写初稿、数据可视化。库拉姆·马克苏德（Khuram Maqsood）：撰写初稿、数据可视化。查瓦利特·恩甘查鲁斯里维柴（Chawalit Ngamcharussrivichai）：审稿与编辑、监督。

致谢

作者感谢其所在机构的技术支持。作者感谢“该研究项目得到了Ratchadaphiseksomphot基金、朱拉隆功大学对新教职员工的培养支持，以及朱拉隆功大学理学院的生物能源与可再生化学品催化中心（CBRC）的支持。