第七章 气体分离膜及液膜
第七章 膜分离过程 第八章 液膜分离
第一节 膜和膜分离过程 的分类与特性
一、膜的分类 (1)对称膜：结构与方向无关的膜，孔经可一致，结构可不规则； (2)非对称膜：分离层很薄，较致密，为活性膜，孔径的大小和表 皮的性质决定分离特性，厚度决定传递速度，朝向待浓缩液； 多孔的支持层只起支撑作用，使膜具有必要的机械强度。 (3)复合膜：选择性膜层(活性膜层)沉积于具有微孔的底膜(支撑层) 表面上，表层与底层是不同的材料，膜的性能不仅取决于有选 择性的表面薄层而且受微孔支撑层的影响。 (4)荷电膜：离交膜，含有高度的溶胀胶载着固定电荷的对称膜。 (5)液膜：将在有关章节中讨论。 (6)微孔膜：孔径为0．05—20微米的膜。 (7)动态膜：在多孔介质(如陶瓷管)上沉积一层颗粒物(如氧化锆)作 为有选择作用的膜，此沉积层与溶液处于动态平衡。
(4)优先吸附——毛细管流动模型
溶解—扩散模型适合无机盐的反渗透过程，但对 有机物常不能适用。当压力升高对，某些有机物透过 液浓度反而升高。 膜的表面如对料液中某一组分（有机物）的吸附 能力较强，则该组分就在膜面上形成一层吸附层。在 压力下通过毛细管。 例如用醋酸纤维膜处理—氯酚溶液时，由于后 者的亲水性，使透过液中的浓度反而增大。
三、超滤
超滤：能截留相对分子质量在500以上的高分子的膜分离过程。 优点：相态不变．无需加热，所用设备简单，占地面积小，能量 消耗低。操作压力低，泵与管对材料要求不高等。 反渗透法必须施加较高的压力，而超滤的操作压力较小。 基本性能：水通量（cm3／cm2· h);截留率(％),合适的孔径尺寸,孔 径的均一性,孔隙率,及物理化学稳定性。 材料：主要有醋酸纤维、聚矾、芳香聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯。 高分子物质极易粘附和沉积，造成严重的浓差极化和堵塞。 原液最好进行前处理，提高原液的流量，采用湍流促进器。 过滤方式：间歇和连续操作。间歇操作分浓缩模式和透析过滤。 问题：与反渗透法相比，水通量大得多，其动力费用较大。和 其他浓缩方法相比，通常只能浓缩到一定程度。
大气污染控制工程第七章课后习题答案
第七章气态活染物控制技术基础一、填空题1、吸收法净化气态污染物是利用混合气体中各成分在吸收剂中的不同，或与吸收剂中的组分发生，从而将有害组分从气流中分离出来。
【答】溶解度，化学反应2、用水吸收HC1气体属于，用N a OH溶液吸收S02属于，用酸性溶液吸收N H3属于。
【答】物理吸收，化学吸收，化学吸收3、目前工业上常用的吸收设备可分为、和三大类。
【答】表面吸收器，鼓泡式吸收器，喷洒式吸收器4、气体扩散同时发生在气相和液相中，扩散过程既包括，也包括。
【答】分子扩散，湍流扩散5、吸收操作线斜率Ls/G s称为吸收操作的液气比，物理含义为。
【答】处理单位惰性气体所消耗的纯吸收剂的量6、常用的吸收剂有和。
【答】水，碱金属钠、钾、铵或碱土金属钙、镁等的溶液7、防治S02污染的方法主要有清洁生产工艺、采用低硫燃料、、及等。
M g2+, S二酸，氨【答】燃料脱硫，燃料固硫，烟气脱硫8、湿式石灰/石灰石-石膏法存在结垢和堵塞问题，通过在吸收液中加入C a C l2、、、等添加剂可解决此问题。
【答】浆液的p H值，吸收温度，石灰石的粒度9、影响湿式石灰/石灰石-石膏法吸收效率的主要因素有，，，流体力学状态，控制溶液过饱和，吸收剂种类等。
【答】石灰/石灰石法，氧化镁法，钠碱法10、目前应用较多的脱硫方法有、、、氨吸收法、亚硫酸钠法、柠檬酸钠法等。
【答】催化还原法（选择性、非选择性)，吸收法，吸附法11、吸附设备主要有、和三种类型。
【答】固定床吸附器，移动床吸附器，流化床吸附器12、影响吸附容量的因素有、、、和。
【答】吸附剂表面积、吸附剂的孔隙大小、孔径分布、分子极性、吸附剂分子上官能团性质13、吸附区高度的计算方法有法和法。
【答】穿透曲线法；希洛夫近似法14、希洛夫方程式为。
【答】x=K L-t015、进入催化燃烧装置的气体首先要除去粉尘、液滴等有害组分，其目的为。
【答】防止中毒16、催化剂的组成为、和。
【答】主活性组分；助催化剂；载体17、催化剂的性能主要指其、和。
气体分离膜
温下)比较困难;表面活性较高。
气体分离膜 (3) 有机-无机杂化材料
采用有机-无机杂化复合膜,以耐高温高分子材料为分离层, 陶瓷膜为支撑层,既发挥了高分子膜高选择性的优势,又解 决了支撑层膜材料耐高温、抗腐蚀的问题,为实现高温、腐 蚀环境下的气体分离提供了可能性
采用非对称膜时,它的表面致密层是起分离作用的活性层。 为了获得高渗透通量和分离因子,表皮层应该薄而致密。实 际上常常因为表皮层存在孔隙而使分离因子降低,为了克服 这个问题可以针对不同膜材料选用适当的试 剂进行处理。 例如用三氟化硼处理聚砜非对称中空纤维膜,可以减小膜表 面的孔隙,提高分离因子。
限制,需要综合考虑才能确定。
(2)膜的厚度 膜的致密活性层的厚度减小,渗透通量
增大。减小膜厚度的方法是采用复合膜,此种膜是在
非对称膜表面加一层超薄的致密活性层,降低可致密 活性层的厚度,使渗透通量提高。
气体分离膜
(3)温度 温度对气体在高分子膜中的溶解度与扩散
系数均有影响,一般说来温度升高,溶解度减小,而
扩散系数增大。但比较而言,温度对扩散系数的影 响更大,所以,渗透 通量随温度的升高而增大。
气体分离膜的分离机理
多孔膜分离机理
非多孔膜的分离机理
多孔膜分离机理
多孔膜是利用不同气体通过膜孔的速率差 进行分离的，其分离性能与气体种类、膜 孔径等有关。其传递机理可分为努森扩散 ，粘性流扩散，表面扩散，分子筛分，毛 细管凝聚等。 1.努森扩散 2.黏性流扩散
自1980年来,利用聚合物致密膜分离工业气体的方法
急剧增长,广泛用于膜法提氢; 膜法富氧、富氮;有 机蒸气回收;天然气脱湿、提氢、脱二氧化碳和脱
硫化氢等。
(1)、氢气的回收
膜法进行气体的分离最早用于氢气的回收。典型
第七章气体分离膜技术
7.6 气体膜分离技术应用
自1980年来,利用聚合物致密膜分离工业气体的方法 急剧增长,广泛用于膜法提氢; 膜法富氧、富氮;有机蒸气 回收;天然气脱湿、提氢、脱二氧化碳和脱硫化氢等。 (1)、氢气的回收 、 膜法进行气体的分离最早用于氢气的回收。典型的 例子是从合成氨弛放气中回收氢气。在合成氨生产过程 中每天将有大量氢气的高压段被混在弛放气中白白地烧 掉,如果不加以回收,将会造成很大的浪费。
④ 温度 温度对气体在高分子膜中的溶解度与扩散系 数均有影响,一般说来温度升高,溶解度减小,而扩散 系数增大。但比较而言,温度对扩散系数的影响更 大,所以,渗透 通量随温度的升高而增大。
7.5 气体膜分离流程及设备
气体膜分离流程可分为单级的、多级的。当过Байду номын сангаас的分 离系数不高，原料气的浓度低或要求产品较纯时,单级膜分 离不能满足工艺要求,因此,采用多级膜分离,即将若干膜器串 联使用,组成级联。常用的气体膜分离级联有以下三种类型。 (1)、简单级联 简单级联流程见下图,每一级的渗透气作 、 为下一级的进料气,每级分别排出渗余气，物料在级间无循 环，进料气量逐级下降，末级的渗透气是级联的产品。
如图所示为美国Monsanto公 司建成的合成氨弛放气回收氢 气的典型流程。合成氨弛放气 首先进入水清洗塔除去或回收 其中夹带的氨气,从而避免氨对 膜性能的影响。经过预处理的 气体进入第一组渗透器,透过膜 的气体作为高压氢气回收,渗余 气流经第二组渗透器中,渗透气 体作为低压氢气回收。渗余气 体中氢气含量较少,作为废气燃 烧,两段回收的氢气循环使用。
图为膜法制备城市煤气的工艺流程图。液化石油气或石脑油在热交换器 中加热到300~400℃,通人脱硫塔,在镍-钼催化剂的作用下,含硫化合物反应生 成H2S,用ZnO吸附 H2O。脱硫后的气体在管道内与水蒸气混合,在加热炉中加 热到550℃,进入甲烷转化器合成甲烷。合成天然气经热交换器降温到40~50℃ 进入一级膜分离器,渗余气富含甲烷,输入城市煤气管道,透过气中含有少量甲 烷,经压缩机加压进入二级膜分离器,透过气可作为加热炉或蒸汽锅炉的燃料, 剩余气体回流,重新输入一级膜分离器。
第七章膜分离技术2
7.7 气体膜分离 （Gas Membrane Separation）
气体分离膜的分离机理
对混合气体通过多孔膜的分离过程，为了获 得良好的分离效果，应该尽可能满足下列条件：
①多孔膜的微孔直径必须小于混合气体中各组分的平均分 子自由程；
②混合气体的温度应足够高，压力尽可能低（气体尽可能 以钮特逊扩散通过分离膜）。
10
图为膜法制备城市煤气的工艺流程图。液化石油气或石脑油在热交换器中加 热到 300~400℃,通入脱硫塔 ,在镍 -钼催化剂的作用下 ,含硫化合物反应生成 H2S,用 ZnO吸附 H2O。脱硫后的气体在管道内与水蒸气混合,在加热炉中加热到550℃,进 入甲烷转化器合成甲烷。合成天然气经热交换器降温到 40~50℃进入一级膜分离 器 ,渗余气富含甲烷 , 输入城市煤气管道 ,透过气中含有少量甲烷 , 经压缩机加压进 入二级膜分离器,透过气可作为加热炉或蒸汽锅炉的燃料,剩余气体回流,重新输入 一级膜分离器。
② 表面活性剂
乳化型液膜的主要成分之一 , 它可以控制液膜的稳定 性。根据不同体系的要求 , 可以选择适当的表面活性剂作 成油 Membrane Separation）
液膜的组成
③ 流动载体
○载体及其溶质形成的配合物必须溶于膜相，而不溶于 膜的内外相，且不产生沉淀。 ○载体与欲分离的溶质形成的配合物要有适当的稳定性， 在膜的外侧生成的配合物能在膜中扩散，而到膜的内侧 要能解络。 ○载体不应与膜相的表面活性剂反应，以免降低膜的稳 定性。
2
7.7 气体膜分离 （Gas Membrane Separation）
气体分离膜的分离机理
（2）多孔膜的透过扩散机理
用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体 流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。
气体分离膜
气体分离膜材料1 膜的发展历史人类对于膜现象有了初步认识是在1748 年，然而认识膜的功能到被挖掘，却经历了200 多年的漫长历程，才为人类服务。
人们在近几十年来，开始对膜进行科学研究。
其发展的历史大致为：30 年代微孔过滤；40 年代透析；50 年代电渗析；60 年代反渗透；70 年代超滤和液膜；80年代气体分离；90 年代渗透汽化。
同时以膜为基础的其它离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的复合应用也日益得到重视和发展。
1979 年将气体分离推向工业化应用的基础，是孟山都（Monsanto）公司用于H₂/N₂分离的低温制氮系统（Prism）的建立。
陶氏（Dow）化学公司在1985年向市场提供以富N₂为目的空气分离器，“Generon”气体分离用于天然气、石油、化工生产等领域，大大提高了气体生产过程的经济效益。
我国从1958年研究离子交换膜开始，80年代中期我国研究的气体分离膜取得长足进步，1985 年中国科学院大连化物所首次成功研制中空纤维N₂/H₂分离器，与国外同类产品主要的性能指标接近，现已投入批量生产。
2 气体分离膜材料2.1高分子膜材料高分子膜材料一般制备简单，性能稳定，耐溶剂性能较好，而广泛的应用于膜分离领域。
用于制备气体分离膜的高分子膜材料主要有以下几种。
1）乙基纤维素EC纤维素是一种较为常见的天然高分子材料，乙基纤维素是由碱纤维素和乙基卤化物反应得到，由于EC的热稳定性好、具有较强的抗生物性能，且气体气体的渗透系数和气体渗透选择性较高，常用作空气中的氧、氮分离富集。
2）双酚A型聚砜PSF双酚A型聚砜主链上含有砜基的一种线性杂链高分子膜材料，具有优异的热稳定性、力学性质和较强的刚性及较好的化学稳定性，耐蒸汽性能好，PSF的玻化温度（Tg）为190℃。
可用于制备复合膜的支撑层，合成氨尾气回收氢，目前已得到工业化生产。
3）聚芳醚砜PES聚芳醚砜分子中含有砜基，由于其共轭效应，具有良好的抗氧化性和热稳定性，同时具有良好加工性能的醚键，不含有对耐热性、抗氧稳定性有不利影响的异丙撑基，没有-C-C-链，不含有刚性极大的联苯结构，因而具有良好的耐溶剂性能。
第七章 气体膜分离
渗透率的物理意义是单位时间、单位膜面 积、单位推动力作用下所透过气体的量 单位为cm3（STP）/（cm2· s· cmHg），SI 制单位为m3（STP）/（m2· s· Pa） J 是气体性质、膜材料的性质及膜结构的函数
用下列公式计算
Q J A P
（7-22）
粘性流、Knudsen扩散及溶解扩散的渗透系数 JV J K J S 分别为Biblioteka 上游上游膜膜
下游 （1）
上游
下游 （2）
膜
下游 （3）
图7-2溶解-扩散机理
一般气体在聚合物中的溶解度小，膜表面溶解的气 体体积浓度 C （m3/m3）同气相主体压力 p 间服从 Henry定律：
C Sp
（7-11）
S 为溶解度系数（Pa-1）
气体分子在膜内的扩散服从Fick定律，对于稳定的 一维扩散，若扩散系数 D 、溶解度系数 S 不是浓 度或压力的函数，则通过膜的气体总体积流量 QS
扩散系数
聚合物 天然橡胶 聚丁二烯 丁苯橡胶 聚四氟乙烯 聚苯乙烯 聚氯乙烯 聚醋酸乙酯 N2 (298) O2 (298) H2 (298)
1.1 1.1 1.1 0.1 0.06 0.004 0.03
1.6 1.5 1.4 0.15 0.11 0.012 0.05
10.2 9.6 9.9 4.4 0.50 2.1
C HB bB PB S B PB 1 b A PA bB PB
(7-17) (7-18)
Gas Membrane Separation
1. History 2. Mechanism 3. Membrane Preparation 4. Membrane Characterization 5. Membrane module 6. Mathematic model for gas membrane separation 7. Applications
气体分离膜的分离机理-概述说明以及解释
气体分离膜的分离机理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述气体分离膜是一种重要的分离技术，它通过特殊的膜材料和适当的分离条件，实现了对气体混合物中不同成分的有效分离。
在工业和生活的许多领域中，气体的分离和纯化是一项至关重要的任务。
传统的方法如吸附、吸收和蒸馏等虽然能够实现气体的分离，但这些方法通常存在能耗高、流程复杂和成本昂贵等问题。
相比而言，气体分离膜技术具有许多优势。
首先，它是一种低能耗的分离方式，不需要加热或冷却等额外能源消耗。
其次，气体分离膜具有结构简单、操作方便和占地面积小的特点，可以很好地适应各种应用场景。
此外，气体分离膜的分离效果高、选择性好，能够实现对不同气体分子大小、极性和溶解度等差异的有效分离。
气体分离膜的应用范围十分广泛，包括但不限于石油化工、气体纯化、空分、生物医药、环境保护等领域。
例如，在石油化工行业中，气体分离膜可以用于乙烯和丙烯的分离，提高乙烯的纯度和收率。
在环境保护方面，气体分离膜可以应用于二氧化碳捕获和回收，在减少二氧化碳排放的同时节约能源资源。
本文将重点讨论气体分离膜的分离机理。
通过对气体分离膜分子结构和分离机制的深入研究，可以更好地理解膜材料在气体分离过程中的作用方式和原理。
同时，对于分离机理的探索也有助于开发设计更高效、选择性更好的气体分离膜材料，并为未来的技术发展提供指导和借鉴。
综上所述，气体分离膜技术是一项具有重要意义和广阔应用前景的分离技术。
通过深入研究气体分离膜的分离机理，我们可以更好地理解其工作原理，为气体分离膜的设计和应用提供理论基础和技术支持。
在未来的发展中，我们可以通过进一步优化膜材料和改进分离工艺，实现更高效、节能环保的气体分离过程。
1.2文章结构文章结构是论文的框架，它描述了文章的主要部分和各个部分之间的逻辑关系。
本文分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分旨在为读者提供关于气体分离膜的背景信息和研究重要性的概述。
其中，第1.1小节概述将简要介绍气体分离膜以及其在工业和环境领域的应用。
《气体膜分离技术》课件
03
气体膜分离技术分类
根据驱动力的分类
压差驱动
利用不同气体在膜上的溶解-扩散 差异，在压力差的推动下实现混 合气体的分离。
浓度差驱动
利用不同气体在膜上的吸附-脱附 性能差异，在浓度差的推动下实 现混合气体的分离。
电场驱动
在电场的作用下，利用不同气体 在膜上的电离或吸附性能差异， 实现混合气体的分离。
01
03
气体膜分离技术的进一步发展需要加强基础研究，提 高膜材料的性能和可靠性，同时加强与其他领域的交
叉合作，拓展应用领域和市场空间。
04
气体膜分离技术与其他分离技术的结合将为工业气体 分离和净化提供更多元化的解决方案，以满足不同工 艺流程的需求。
THANKS感谢观看应用领域工业气体分离
用于分离空气、氮气、氧气等工业气体，提 高产品质量和纯度。
氢气回收与纯化
用于从各种原料气体中回收和纯化氢气，满 足氢能产业的需求。
有机蒸气回收
用于从有机废气中回收有价值组分，实现资 源化利用和环保减排。
天然气处理
用于脱除天然气中的二氧化碳、硫化物等杂 质，提高天然气的品质。
发展历程与趋势
根据膜材料的分类
01
02
03
高分子膜
利用高分子材料的透过性 和选择性，制备成气体分 离膜。
无机膜
利用无机材料的稳定性、 耐高温性和高透过性，制 备成气体分离膜。
复合膜
将高分子材料和无机材料 复合，制备成具有优异性 能的气体分离膜。
根据应用领域的分类
工业气体分离
用于工业生产过程中产生 的各种气体混合物的分离 ，如氢气、氮气、氧气等 。
拓展气体膜分离技术在氢气、二氧化碳、 甲烷等气体分离领域的应用，推动其在环 保、能源和化工等领域的发展。
第七章 气体分离膜及液膜
气体分离膜
按气体方程可导出气体透过多孔性分离膜的分
离效率为：
M2
M1
（7-1）
此式说明，被分离物质的分子量相差越大，分 离选择性越好。
多孔膜对混合气体的分离主要决定于膜的结 构，而与膜材料性质无关。
6
气体分离膜
2. 制备气体分离膜的材料 （1）影响气体分离膜性能的因素
1）化学结构的影响 通过对不同化学结构聚合物所制备的气体分离 膜的气体透过率P、扩散系数D和溶解系数S的考 察，可得出化学结构对透气性影响的定性规律。从 表1可知，大的侧基有利于提高自由体积而使P增加。
24
液膜
2）单滴型液膜 单滴型液膜的形状如图3所示。其结构为单 一的球面薄层，根据成膜材料可分为水膜和油膜两 种。图4-3a为水膜，即 O/W/O 型，内、外相为有 机物；图4-3b为油膜，即 W/O/W 型，内、外相 为水溶液。这种单滴型液膜寿命较短，所以目前主 要用于理论研究，尚无实用价值。
25
液膜
a
b
图3 单滴型液膜示意图
26
液膜
3）乳液型液膜 首先把两种互不相溶的液体在高剪切下制成乳 液，然后再将该乳液分散在第三相（连续相），即 外相中。乳状液滴内被包裹的相为内相，内、外相 之间的部分是液膜。 一般情况下乳液颗粒直径为0.1～1 mm，液膜 本身厚度为1～10 μm。根据成膜材料也分为水膜 和油膜两种。
30
液膜
如图4所示，当A、B两种物质被包裹在液膜内， 若要实现A、B的分离，就必须要求其中的一 种溶质（例如A）透过膜的速度大于B。由于渗透速 度正比于扩散系数和溶质的分配系数，而在一定的 膜溶剂中，大多数溶质的扩散系数近似相等，所以 分配系数的差别是分离过程的关键。又由于此种机 制中溶质在膜相和料液相之间的分配取决于溶质在 料液相和膜相中的溶解度，所以溶质A、B在膜中的 溶解度差别就成为A与B分离的又一决定性因素。
气体膜分离
第九章气体分离膜第一节概述气体膜分离过程是一种以压力差为驱动力的分离过程，在膜两侧混合气体各组分分压差的驱动下，不同气体分子透过膜的速率不同，渗透速率快的气体在渗透侧富集，而渗透速率慢的气体则在原料侧富集。
气体膜分离正是利用分子的渗透速率差使不同气体在膜两侧富集实现分离的。
1831年，J.V.Mitchell系统地研究了天然橡胶的透气性，用高聚物膜进行了氢气和二氧化碳混合气的渗透实验，发现了不同种类气体分子透过膜的速率不同的现象，首先提出了用膜实现气体分离的可能性。
1866年，T.Craham研究了橡胶膜对气体的渗透性能，并提出了现在广为人知的溶解—扩散机理。
虽然在100多年前就发现了利用膜实现气体分离的可能性，但由于当时的膜渗透速率很低，膜分离难以与传统的分离技术如深冷分离法、吸附分离法等竞争，未能引起产业界的足够重视。
从20世纪50年代起，科研工作者开始进行气体分离膜的应用研究。
1950年S.Weller和W.A.Steier用乙基纤维素平板膜进行空气分离，得到氧浓度为32%~36%的富氧空气。
1954年 D.W.Bubaker和K.Kammermeyer发现硅橡胶膜对气体的渗透速率比乙基纤维素大500倍，具有优越的渗透性。
1965年S.A.Stern等为从天然气中分离出氦进行了含氟高分子膜的试验，并进行了工业规模的设计，采用三级膜分离从天然气中浓缩氦气。
同年美国Du Pont公司首创了中空纤维膜及其分离装置并申请了从混合气体中分离氢气、氦气的专利。
气体膜分离技术的真正突破是在70年代末，1979年美国的Monsanto公司研制出“Prism”气体膜分离裝置，“Prism”装置采用聚砜-硅橡胶复合膜，以聚砜非对称膜中空纤维作为底膜，在其中空纤维外表面真空涂覆一层致密的硅橡胶膜。
聚砜底膜起分离作用，底膜的皮层仅有0.2μm左右，远比均质膜薄，因此其渗透速率大大提高；硅橡胶涂层起到修补底膜皮层上的孔缺陷的作用，以保证气体分离膜的高选择性。
气体分离膜讲解PPT文档23页
6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
பைடு நூலகம்
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
气体膜分离原理
膜分离原理
膜分离系统的工作原理就是利用一种高分子聚合物（膜材料通常是聚酰亚胺或聚砜）薄膜来选择'过滤'进料气而达到分离的目的。
当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时，各气体组分在聚合物中的溶解扩散系数的差异，导致其渗透通过膜壁的速率不同。
由此，可将气体分为'快气'（如H2O、H2、He等）和'慢气'（如N2、CH4及其它烃类等）。
当混合气体在驱动力—膜两侧相应组分分压差的作用下，渗透速率相对较快的气体优先透过膜壁而在低压渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集。
快气慢气
各气体渗透量可表示为
上式中Qi：气体组分i的渗透量
(P/l)i：气体组分i的渗透系数
A：膜面积
P：原料气压力
p：渗透气压力
x i：气体组分i在原料气中的体积分数
y i：气体组分i在渗透气中的体积分数
从上式可以看出：膜的分离选择性（各气体组分渗透量的差异）、膜面积和膜两侧的分压差构成了膜分离的三要素。
其中，膜分离的选择性取决于制造商选用的膜材料及制备工艺，是决定膜分离系统性能和效率的关键因素。
分离器结构
膜分离系统的核心部件是一构型类似于管壳式换热器的膜分离器，数万根细小的中空纤维丝浇铸成管束而置于承压管壳内。
混合气体进入分离器后沿纤维的一侧轴向流动，'快气'不断透过膜壁而在纤维的另一侧富集，通过渗透气出口排出，而滞留气则从与气体入口相对的另一端非渗透气
出口排出。
气体膜分离
气体膜分离概述气体膜分离是一种常用的分离技术，用于分离混合气体中的不同组分。
该技术基于气体分子在薄膜上的渗透性差异来实现分离。
气体膜分离广泛应用于气体纯化、气体分离、气体浓缩等领域，具有高效、低成本、易操作等优点。
原理气体膜分离的原理是基于不同气体分子在膜材料上的渗透性差异。
膜材料常用的有聚合物膜、无机材料膜等。
当混合气体与膜接触时，其中的不同组分气体会因为渗透速率的不同而在膜的两侧产生浓度差。
这样，通过调整操作条件，如压力、温度等，就可以实现对不同组分气体的分离。
膜材料聚合物膜聚合物膜是气体膜分离中常用的一种膜材料。
聚合物膜可以通过改变聚合物的化学结构和物理性质来实现对不同气体的选择性吸附和渗透。
常用的聚合物膜材料包括聚丙烯、聚氨酯、聚醚酯等。
这些材料具有良好的膜形态稳定性和气体分离性能。
无机材料膜除了聚合物膜，无机材料膜也被广泛应用于气体膜分离。
无机材料膜通常具有更好的化学和热稳定性，适用于处理高温、高压气体。
常见的无机材料膜包括硅膜、石墨烯膜、陶瓷膜等。
这些材料具有良好的气体分离性能和长寿命。
操作条件气体膜分离的操作条件对分离效果有重要影响。
压力压力是气体膜分离中重要的操作参数。
增加进料气体的压力可以增加分离效果，因为压力差会促进气体分子渗透膜的速率。
温度温度对气体分子的扩散速率有重要影响。
一般来说，提高温度可以促进气体分子在膜上的扩散和渗透，从而增强分离效果。
但是，过高的温度可能导致膜材料的性能衰减。
膜面积膜面积也对气体膜分离的效果有影响。
增加膜面积可以增加分离效率和处理能力。
可以通过增加膜片数量或增大膜的尺寸来增加膜面积。
应用领域气体膜分离技术具有广泛的应用领域。
气体纯化气体膜分离可以用于气体纯化过程，将混合气体中的杂质气体分离出来，得到纯净的气体。
例如，将混合气体中的二氧化碳分离出来，可以得到高纯度的氮气。
这在工业和实验室中都有广泛应用。
气体分离气体分离是气体膜分离的主要应用之一。
通过调整操作条件和膜材料的选择，可以实现对不同气体组分的分离。
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气体分离膜
2. 制备气体分离膜的材料 （1）影响气体分离膜性能的因素 ） 1）化学结构的影响 ） 通过对不同化学结构聚合物所制备的气体分离 膜的气体透过率P、扩散系数 和溶解系数 和溶解系数S的考 膜的气体透过率 、扩散系数D和溶解系数 的考 察，可得出化学结构对透气性影响的定性规律。从 可得出化学结构对透气性影响的定性规律。 可知， 增加。 表1可知，大的侧基有利于提高自由体积而使 增加。 可知 大的侧基有利于提高自由体积而使P增加
7.5
CH3 C C C5H11
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8
气体分离膜
2）形态结构的影响 ） 一般情况下， 一般情况下，聚合物中无定型区的密度小于晶 区的密度。因此气体透过高聚物膜主要经由无定形 区的密度。因此气体透过高聚物膜主要经由无定形 而晶区则是不透气的。 区，而晶区则是不透气的。这可以通过自由体积的 差别来解释。但对某些聚合物可能出现例外， 差别来解释。但对某些聚合物可能出现例外，如4甲基戊烯（ 甲基戊烯（PNP）晶区的密度反而小于非晶区的密 ） 故其晶区可能对透气性能也有贡献。 度，故其晶区可能对透气性能也有贡献。
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气体分离膜
2. 气体分离膜的应用领域 气体分离膜是当前各国均极为重视开发的产品， 气体分离膜是当前各国均极为重视开发的产品， 已有不少产品用于工业化生产。如美国Du Pont公司 已有不少产品用于工业化生产。如美国 公司 用聚酯类中空纤维制成的H 气体分离膜， 用聚酯类中空纤维制成的 2气体分离膜，对组成为 70％H2，30％CH4，C2H6，C3H8的混合气体进行分 ％ ％ 可获得含90％ 的分离效果。 离，可获得含 ％H2的分离效果。
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气体分离膜
此外，富氧膜大部分可作为 分离膜使用， 此外，富氧膜大部分可作为CO2分离膜使用， 若在膜材料中引入亲CO2的基团，如醚键、苯环 的基团，如醚键、 若在膜材料中引入亲 可大大提高CO2的透过性。同样，若在膜材料 的透过性。同样， 等，可大大提高 中引入亲SO 的亚砜基团（如二甲亚砜、 中引入亲 2的亚砜基团（如二甲亚砜、环丁砜 ），则能够大大提高 则能够大大提高SO 等），则能够大大提高 2分离膜的渗透性能和分 离性能。 离性能。具有亲水基团的芳香族聚酰亚胺和磺化聚 苯醚等对H 有较好的分离作用 有较好的分离作用。 苯醚等对 2O有较好的分离作用。
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液膜
2）表面活性剂 ） 表面活性剂是分子中含有亲水基和疏水基两个 部分的化合物，在液体中可以定向排列， 部分的化合物，在液体中可以定向排列，显著改变 液体表面张力或相互间界面张力。表面活性剂是制 液体表面张力或相互间界面张力。 备液膜的最重要的组分， 直接影响膜的稳定性、 备液膜的最重要的组分，它直接影响膜的稳定性、 渗透速度等性能。在实际使用中， 渗透速度等性能。在实际使用中，表面活性剂的选 择是一个较复杂的问题， 择是一个较复杂的问题，需根据不同的应用对象进 行实验选择。 行实验选择。
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气体分离膜
2）O2的分离富集 ） 制备富氧膜的材料主要两类： 制备富氧膜的材料主要两类：聚二甲基硅氧烷 （PDMS）及其改性产品和含三甲基硅烷基的高分 ） 子材料。 子材料。 PDMS是目前工业化应用的气体分离膜中 PO 最 是目前工业化应用的气体分离膜中 高的膜材料，美中不足的是它有两大缺点： 高的膜材料，美中不足的是它有两大缺点：一是分 离的选择性低，二是难以制备超薄膜。 离的选择性低，二是难以制备超薄膜。
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气体分离膜
（2）制备气体分离膜的主要材料 ） 根据不同的分离对象， 根据不同的分离对象，气体分离膜采用不同的材 料制备。 料制备。 1）H2的分离 ） 美国Monsanto公司 公司1979年首创 年首创Prism中空纤维 美国 公司 年首创 中空纤维 复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。 复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。其材料主 要有醋酸纤维素 聚砜、聚酰亚胺等 醋酸纤维素、 要有醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺等。其中聚酰亚 胺是近年来新开发的高效氢气分离膜材料。 胺是近年来新开发的高效氢气分离膜材料。它是由 二联苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的， 二联苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有 抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。 抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。
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气体分离膜
在实际应用中， 在实际应用中，通常不是通过加大两 侧的压力差（ ）来提高q值 侧的压力差（∆p）来提高 值，而是采用增 加表面积A、增加膜的渗透系数和减小膜的 加表面积 、 厚度的方法来提高q值 厚度的方法来提高 值。
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气体分离膜
（2）多孔膜的透过扩散机理 ） 用多孔膜分离混合气体， 用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流 过膜中细孔时产生的速度差来进行的。 过膜中细孔时产生的速度差来进行的。 流体的流动用努森（ 流体的流动用努森（Knudsen）系数 n表示时， ）系数K 表示时， 有三种情况： 属粘性流动； 有三种情况：Kn≤1 属粘性流动；Kn≥1 属分子流 属中间流动。 动；Kn ≌1 属中间流动。 多孔膜分离混合气体主要发生在K 时 多孔膜分离混合气体主要发生在 n≥1时，这 时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在细孔内壁 时气体分子之间几乎不发生碰撞， 间反复碰撞，并呈独立飞行状态。 间反复碰撞，并呈独立飞行状态。
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气体分离膜
此外，富氧膜、分离 此外，富氧膜、分离N2，CO2，SO2，H2S等气 等气 体的膜，都已有工业化的应用。例如从天然气中分 体的膜，都已有工业化的应用。例如从天然气中分 离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分离 2或 离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分离N CO2，从烟道气中分离 2、从煤气中分离H2S或 从烟道气中分离SO 从煤气中分离 或 CO2等等，均可采用气体分离膜来实现。 等等，均可采用气体分离膜来实现。
第七章 气体分离膜与液膜
1. 气体分离膜的分离机理 气体分离膜有两种类型： 气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔 它们的分离机理各不相同。 膜。它们的分离机理各不相同。 （1）非多孔均质膜的溶解扩散机理 ） 该理论认为， 该理论认为，气体选择性透过非多孔均质膜分 四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中， 四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解 的分子由于浓度梯度进行活性扩散， 的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另 一侧逸出。 一侧逸出。
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气体分离膜
聚合物分子链沿拉伸方向取向后， 聚合物分子链沿拉伸方向取向后，透气性和选 择性均有所下降， 择性均有所下降，如未拉伸的聚丙烯的 PO 和αO/N分 别为163kPa和5.37，经单向拉伸后变为 别为 和 ，经单向拉伸后变为111kPa和 和 5.00，经双向拉伸后则变为65kPa和4.38。 5.00，经双向拉伸后则变为65kPa和4.38。 高分子的交联对透气性影响的一般规律是随交 高分子的交联对透气性影响的一般规律是随交 联度的增加，交联点间的尺寸变小， 联度的增加，交联点间的尺寸变小，透气性有所下 但对尺寸小的分子，如氢气和氦气等， 降。但对尺寸小的分子，如氢气和氦气等，透气性和特点 液膜分离技术是1965年由美国埃克森（Exssen） 年由美国埃克森 液膜分离技术是 年由美国埃克森（ ） 研究和工程公司的黎念之博士提出的一种新型膜分 研究和工程公司的黎念之博士提出的一种新型膜分 离技术。直到80年代中期 奥地利的J. 年代中期， 离技术。直到 年代中期，奥地利的 Draxler等科 等科 学家采用液膜法从粘胶废液中回收锌获得成功， 学家采用液膜法从粘胶废液中回收锌获得成功，液 膜分离技术才进入了实用阶段。 膜分离技术才进入了实用阶段。 液膜是一层很薄的液体膜。它能把两个互溶的、 液膜是一层很薄的液体膜。它能把两个互溶的、 但组成不同的溶液隔开， 但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜的选择性 渗透作用实现物质的分离。 渗透作用实现物质的分离。根据形成液膜的材料不 液膜可以是水性的，也可是溶剂型的。 同，液膜可以是水性的，也可是溶剂型的。
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第七章 气体分离膜
扩散系数D和溶解度系数 与物质的扩散活化能 扩散系数 和溶解度系数S与物质的扩散活化能 和溶解度系数 ED和渗透活化能 p有关，而ED 和Ep又直接与分子大 和渗透活化能E 有关， 小和膜的性能有关。 小和膜的性能有关。这就是膜具有选择性分离作用的 理论依据。 理论依据。 高分子膜在其T 玻璃化温度）以上时， 高分子膜在其 g（玻璃化温度）以上时，存在链 段运动，自由体积增大。因此，对大部分气体来说， 段运动，自由体积增大。因此，对大部分气体来说， 在高分子膜的T 前后， 和 的变化将出现明显的转折 的变化将出现明显的转折。 在高分子膜的 g前后，D和S的变化将出现明显的转折。
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液膜
2. 液膜的组成与类型 （1）液膜的组成 ） 1）膜溶剂 ） 膜溶剂是形成液膜的基体物质。 膜溶剂是形成液膜的基体物质。选择膜溶剂主 要考虑膜的稳定性和对溶剂的溶解性。 要考虑膜的稳定性和对溶剂的溶解性。为了保持膜 的稳定性，就要求膜溶剂具有一定的粘度 具有一定的粘度。 的稳定性，就要求膜溶剂具有一定的粘度。膜溶剂 对溶质的溶解性则首先希望它对欲提取的溶质能优 对溶质的溶解性则首先希望它对欲提取的溶质能优 先溶解，对其他欲除去溶质的溶解度尽可能小。 先溶解，对其他欲除去溶质的溶解度尽可能小。当 然膜溶剂不能溶于欲被液膜分隔的溶液， 然膜溶剂不能溶于欲被液膜分隔的溶液，并希望膜 溶剂与被其分隔的溶液有一定的相对密度差（ 溶剂与被其分隔的溶液有一定的相对密度差（一般 要求相差0.025 g/cm3）。 要求相差
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气体分离膜
根据这一机理，研究结论如下： 根据这一机理，研究结论如下： 1) 气体的透过量 与扩散系数 、溶解度系数 和气体 气体的透过量q与扩散系数 与扩散系数D、溶解度系数S和气体 渗透系数成正比。 渗透系数成正比。而这些参数与膜材料的性质直接 有关。 有关。 2) 在稳态时，气体透过量 与膜面积 和时间 成正比。 在稳态时，气体透过量q与膜面积 和时间t成正比 与膜面积A和时间 成正比。 3) 气体透过量与膜的厚度 成反比。 气体透过量与膜的厚度l成反比 成反比。