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本发明属于膜材料制备领域,公开了一种天然气脱水膜的制备方法、天然气脱水膜及其应用。本发明的制备方法包括如下步骤:S1.制备混合溶液,所述的混合溶液中包含聚醚酰亚胺、水轮酚和溶剂;S2.将步骤S1得到的混合溶液涂覆成膜;S3.将步骤S2得到的膜置于‑10~‑2℃的基板或冷台上1~10 min;S4.将步骤S3得到的膜在温度30~45℃条件下静置2~5 min;S5.将步骤S4得到的膜置入含有4‑甲基儿茶酚的凝固液中固化;S6.将步骤S5得到的膜置入吡咯水溶液中浸泡,得到天然气脱水膜。本发明制备的天然气脱水膜具有较高的水渗透率和H2O/CH4分离系数,可用于天然气输送前的脱水过程。