工业废水厌氧处理产生的沼气，是一种含有约60%甲烷和40%二氧化碳的可燃气体混合物。要将其作为生物甲烷并入天然气管网或作为车用燃料，必须将CO₂分离出去，使CH₄纯度提升至97%以上。传统的胺洗等分离方法能耗高、设备腐蚀重，且需要连续化学药剂。膜法气体分离因其操作简便、占地面积小和环境友好而受到青睐。然而，传统聚合物膜受限于其渗透性和选择性之间的“罗宾逊上限”，难以同时获得高CO₂通量和高CO₂/CH₄选择性。混合基质膜（MMMs）通过将无机多孔纳米填料（如分子筛、MOFs）分散于聚合物基质中，期望能打破这一上限。ZIF-8是一种具有约0.34nm孔径窗口的疏水性MOF，该孔径恰好介于CO₂（动力学直径0.33nm）和CH₄（0.38nm）之间，理论上可以实现对CO₂的精确分子筛分。

  本研究将高比表面积的ZIF-8纳米晶以不同质量分数（10%-40%）分散于PIM-1聚合物溶液中，采用旋涂法制备平板膜。SEM截面图显示，在适宜的负载量（<25%）下，ZIF-8纳米颗粒均匀嵌在聚合物基体中，未见界面空洞。气体渗透测试表明，随着ZIF-8负载量从0增加到25%，CO₂的渗透系数大幅提升，而CH₄的渗透系数保持稳定或仅微弱增加，CO₂/CH₄理想选择性从纯PIM-1膜的16提升至25%负载膜的28，成功突破了传统聚合物膜的罗宾逊上限。这一改善归因于ZIF-8窗口孔道对CO₂的优先择入和快速扩散的叠加效应。

  将性能最优的25% ZIF-8/PIM-1膜用于两级膜分离系统处理模拟沼气。第一级膜优先透过CO₂，在第一级渗透侧得到CO₂富集气，截留侧的CH₄浓度提升至约85%。截留气进入第二级膜，进一步去除残余CO₂，最终产品气CH₄纯度达到98.3%，满足天然气标准，系统总CH₄回收率可达95%。对工业废水现场沼气的连续72小时提纯试验表明，该混合基质膜组件的分离性能保持稳定。该研究成果展示了通过MOF填料与先进聚合物的理性复合，可以实现对传统膜材料气体分离性能的显著跃升，为厌氧沼气的低成本、高效率提纯制取生物甲烷提供了核心膜材料技术。

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