气体分离膜
第九章气体分离膜
5. 从天然气中分离 He 6. 从烟道气中分离 SO 2 7. 从煤气中分离 H 2S或CO 2
4. 天然气脱湿 天然气的主要成分是甲烷，开采的井口天然气通常含有浓 度较高的水蒸汽。在高压低温下，天然气中的烃类和二氧化 碳可与水生成固体水合物，在天然气的输送中固体水合物容 易堵塞管道和阀门；此外，在水或水蒸汽存在下，天然气中 含有的硫化氢和二氧化碳等酸性气体还会对输送管道产生严 重腐蚀。 因此，在天然气输送之前，必须进行脱湿。 1998年，大连化物所用其研制的膜分离器在陕西长庆气 年 田进行了膜法天然气脱湿的工业试验，处理含CH4CH4等烃类 等烃类 94%、CO2 5.9%、H2S 0.04%、H2O饱和的天然气；经数 、 、 、 百小时连续运行试验表明，产品天然气露点(4.6MPa 压力下 ) (4.6MPa压力下 压力下) 为-13～-8-8℃，甲烷回收率 -13～ ℃ 甲烷回收率≥9898％。 ％。
二、气体分离膜的应用
• 1. 从合成氨尾气中回收氢 氢的回收率为95%--98.5% 可使合成氨产量增加5% 。 • 2. 富氧气的制造 利用富氧膜对氧和氮的渗透性的不同，富集氧气。 如：二甲基硅氧烷-碳酸酯共聚物分离系数 aij= 2.3 可得到 35%的富氧 • 3. 水果保鲜 收获后的水果仍有呼吸作用，吸入氧气，释放CO2。使果 品逐渐劣化以至腐烂。降低环境的氧气含量，提高CO2浓度 是水果保鲜的有效方法。 • 采用聚二甲基硅氧烷膜，使氧气和CO2 进行交换，以使 保鲜桶周围的空气组成为： O2=3% CO2=5% N2=92% 达到保鲜效果
第九章 气体膜分离
一、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
第六章气体膜分离ppt课件
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
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分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
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气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
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描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
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气体分离膜品类
气体分离膜品类1. 介绍气体分离膜是一种用于分离混合气体中不同组分的薄膜材料。
它通过选择性渗透性能，将混合气体中的组分分离出来，实现纯化和浓缩的目的。
气体分离膜广泛应用于气体分离、气体纯化、气体回收等领域，具有高效、节能、环保等优点。
2. 气体分离膜的原理气体分离膜的分离原理基于气体分子的渗透和扩散。
气体分子在薄膜材料中通过渗透和扩散的方式，根据其分子大小、极性、溶解度等特性，以不同的速率通过膜层，从而实现气体的分离。
常见的气体分离膜包括聚合物膜、无机膜和复合膜等。
聚合物膜通常由聚合物材料制成，具有良好的选择性和渗透性能；无机膜由无机材料制成，具有较高的稳定性和耐腐蚀性能；复合膜则是将聚合物膜和无机膜等不同材料组合而成，综合了各自的优点。
3. 气体分离膜的应用领域气体分离膜广泛应用于各个领域，包括能源、化工、环保、医药等。
3.1 能源领域在能源领域，气体分离膜被用于天然气处理、氢气纯化、煤气脱硫等。
例如，在天然气处理中，气体分离膜可将天然气中的甲烷、乙烷等组分分离出来，提高天然气的纯度和质量。
3.2 化工领域在化工领域，气体分离膜可以用于气体分离、溶剂回收、废气处理等。
例如，在溶剂回收中，气体分离膜可以将有机溶剂与废气中的气体分离，实现溶剂的回收利用，减少环境污染。
3.3 环保领域在环保领域，气体分离膜可以用于废气处理、二氧化碳捕集等。
例如，在二氧化碳捕集中，气体分离膜可以将二氧化碳与其他气体分离，实现二氧化碳的回收和利用，减少温室气体的排放。
3.4 医药领域在医药领域，气体分离膜可以用于气体纯化、药品生产等。
例如，在氧气纯化中，气体分离膜可以将氧气与其他气体分离，提高氧气的纯度和质量，用于医疗设备和治疗。
4. 气体分离膜的发展趋势随着科技的不断进步和应用需求的增加，气体分离膜也在不断发展和创新。
以下是气体分离膜的发展趋势：4.1 提高分离性能气体分离膜的分离性能是衡量其性能优劣的重要指标。
未来的发展趋势是提高膜材料的选择性和渗透性能，实现更高效的气体分离和纯化。
第九章气体分离膜
第九章气体分离膜第一节概述气体膜分离进程是一种以压力差为驱动力的分离进程，在膜双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度不同，渗透速度快的气体在渗透侧富集，而渗透速度慢的气体那么在原料侧富集。
气体膜分离正是利用分子的渗透速度差使不同气体在膜双侧富集实现分离的。
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，发觉了不同种类气体分子透过膜的速度不同的现象，第一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，并提出了此刻广为人知的溶解—扩散机理。
尽管在100连年前就发觉了利用膜实现气体分离的可能性，但由于那时的膜渗透速度很低，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，未能引发产业界的足够重视。
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，取得氧浓度为32%~36%的富氧空气。
1954年 D.W.Bubaker和K.Kammermeyer发觉硅橡胶膜对气体的渗透速度比乙基纤维素大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实验，并进行了工业规模的设计，采纳三级膜分离从天然气中浓缩氦气。
同年美国Du Pont公司初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冲破是在70年代末，1979年美国的Monsanto公司研制出“Prism”气体膜分离裝置，“Prism”μm左右，远比均质膜薄，因此其渗透速度大大提高；硅橡胶涂层起到修补底膜皮层上的孔缺点的作用，以保证气体分离膜的高选择性。
“Prism”气体膜分离裝置自1980年商业应用以来，至今已有上百套装置在运行，用于合成氨弛放气中氢回收和石油炼厂气中氢回收。
分离膜的分类
气体分离膜的分类成员：陈永涛，忽浩然，苗玉淇，张岩磊，李龙飞⏹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。
分类⏹一：按照其化学组成⏹二：按膜组件分⏹三：按气体膜分离的机理分⏹四：按气体分离膜的应用分按照其化学组成，气体分离膜材料可分为高分子材料、无机材料和有机—无机杂化材料1.高分子材料在气体分离膜领域，早期使用的膜材料主要有聚砜、纤维素类聚合物、聚碳酸酯等。
上述材料的最大缺点是或具有高渗透性、低选择性或具有低渗透性、高选择性，使得以这些材料开发的气体分离器的应用受到了一定限制，特别是在制备高纯气体方面，受到变压吸附和深冷技术的有力挑战。
为了克服上述缺点，拓宽气体分离膜技术的应用范围，发挥其节能优势，研究人员一直在积极开发兼具高透气性和高选择性、耐高温、耐化学介质的新型气体分离膜材料，聚酰亚胺、含硅聚合物、聚苯胺等就是近年开发的新型高分子气体分离膜材料。
2.无机材料相对于有机高分子膜，无机材料由于其独特的物理和化学性能，具有耐高温、结构稳定、孔径均一、化学稳定性好、抗微生物腐蚀能力强等优点。
它在涉及高温和有腐蚀性的分离过程中的应用方面具有有机高分子膜所无法比拟的优势，具有良好的发展前景。
无机膜的不足之处在于：制造成本相对较高，大约是相同膜面积高分子膜的10倍；无机材料脆性大，弹性小，需要特殊的形状和支撑系统；膜的成型加工及膜组件的安装、密封(尤其是在高温下)比较困难。
⏹有机-无机集成材料⏹发展有机和无机集成材料膜，是取长补短，改进膜材料的一种好方法。
分子筛填充有机高分子膜是在高分子膜内引入细小的分子筛颗粒以改善膜的分离性能。
分子筛填充聚合物膜结构与一般聚合物复合膜结构相似，存在一个多孔支撑层，上面涂敷一层薄的高性能选择分离层，只是其选择分离层含有大于40%紧密填充的分子筛或沸石等无机材料的高性能聚合物薄层。
气体分离膜技术手册
气体分离膜技术手册气体分离膜技术手册1、引言1.1 背景1.2 目的1.3 适用范围2、气体分离膜技术概述2.1 气体分离膜原理2.2 分离膜的分类2.3 气体分离膜的优势2.4 气体分离膜的应用领域3、气体分离膜材料3.1 聚合物膜3.2 陶瓷膜3.3 碳基膜3.4 声波膜3.5 混合膜4、气体分离膜的性能评估4.1 通透性4.2 选择性4.3 稳定性4.4 实际运行性能5、气体分离膜模块5.1 膜模块的结构5.2 膜模块的选型5.3 膜模块的维护与管理6、气体分离膜系统设计与优化 6.1 系统设计原则6.2 膜元件布置6.3 气体进出口管道设计6.4 辅助设备选择7、气体分离膜的实践应用案例 7.1 氢气分离7.2 二氧化碳分离7.3 甲烷气分离7.4 氧气浓缩8、安全与环境考虑8.1 气体泄漏处理8.2 废气处理8.3 确保操作人员的安全9、附录9.1 相关表格9.2 相关图表9.3 参考文献本文档涉及附件：附件1、分离膜材料性能对比表附件2、气体分离膜系统设计流程图附件3、气体分离膜实践应用案例数据本文所涉及的法律名词及注释：1：常规法律名词及解释- 气体分离膜：通过分子尺度的选择通透性，将混合气体分离的一种薄膜类技术。
- 通透性：膜材料对特定气体的透过率与压力差的比值。
- 选择性：膜材料对混合气体中不同组分的分离程度。
- 系统设计原则：在满足气体分离要求的前提下，合理选择膜材料和系统配置。
2：相关法律名词及解释- 环境保护法：保护环境、预防和控制污染，维护生态安全，保障人民健康的法律。
- 安全生产法：保障企事业单位安全生产、防止和减少事故、减轻事故灾害损失的法律。
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。
气体分离膜的制备及性能研究
气体分离膜的制备及性能研究一、前言近年来，气体资源的稀缺性越来越引人关注。
气体分离技术在工业、环保、能源等领域具有广泛应用。
其中，气体分离膜作为一种新型分离技术，因其具有操作简单、体积小、节能降耗等优点，被广泛关注和应用。
本文将介绍气体分离膜的制备及性能研究，以期为工程师和科研人员提供参考。
二、气体分离膜的种类气体分离膜目前主要分为两类，即有机膜和无机膜。
有机膜：有机膜是一种聚合物膜，基于不同材料的不同选择，可以制成高分子膜。
其中较常用的材料有聚丙烯、聚二甲基硅氧烷等。
有机膜具有生物可降解和成本低的优点。
但其分离性和流量较低，不适合用于高端工业。
无机膜：无机膜又称为无机陶瓷膜，是以氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、硅氧化合物（SiO2）等为主要原料的陶瓷材料制成。
无机膜具有稳定性高，易于清洗和耐腐蚀等优点，成本较高。
三、气体分离膜的制备目前，气体分离膜的制备方法主要包括化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、浸涂法、电泳沉积法、物理气相沉积法等。
本文将着重介绍物理气相沉积法和溶胶-凝胶法的制备工艺。
物理气相沉积法：该法需要使用专门的物理气相沉积设备，将膜材料用高压电子束蒸发形成蒸气，再将蒸气通过特定的管道传输到基板上，最后通过表面的凝结和固化过程形成薄膜。
该方法制备的气体分离膜具有厚度均匀、粒度细、结晶度高等特点，但设备价值较高，生产成本也高。
溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是将交联剂和溶剂混合，再将光敏剂加入到混合液中形成溶胶胶体，然后将胶体薄层沉积到基板上，最后交联胶体成膜。
该方法制备的气体分离膜具有膜厚度可调、制备过程简单、成本低等优点。
但其缺点是薄膜粘附性差、绘制线宽度受到限制等。
四、气体分离膜性能研究气体分离膜的性能研究主要包括分离性、通量、选择性等方面。
分离性：指在同样外部操作条件下，膜的分离效果。
通常可以通过气体通量和选择性分离系数等指标来评价分离性能。
在制备气体分离膜时，要通过控制膜厚度、制备温度和气体流量等参数来优化气体分离性能。
第八章 气体分离膜
热致相分离法
原理：通过加 热使聚合物发 生相分离，形
成微孔结构
优点：制备过 程简单，成本
低
缺点：微孔尺 寸难以控制， 膜性能不稳定
应用：主要用 于制备微孔膜， 如气体分离膜、
渗透膜等
溶液浇铸法
原理：通过溶液 浇铸形成膜层
步骤：将溶液浇 铸在基材上，形 成膜层
优点：操作简单， 成本低
缺点：膜层厚度 不均匀，性能不 稳定
浸没沉淀相转化法
原理：通过控制溶 液中的化学成分和 温度，使溶液中的 溶质发生沉淀反应， 形成沉淀物。
步骤：将溶液加热 至一定温度，加入 沉淀剂，搅拌，使 溶质沉淀，过滤， 洗涤，干燥。
优点：操作简单， 成本低，可大规模 生产。
应用：广泛应用于 气体分离膜的制备 ，如氢气、氧气、 氮气等气体的分离 。
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气体分离膜
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汇报人：XX
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目 录
01 单 击 添 加 目 录 项 标 题 02 气 体 分 离 膜 的 原 理 03 气 体 分 离 膜 的 制 备 方 法 04 气 体 分 离 膜 的 性 能 指 标 05 气 体 分 离 膜 的 应 用 实 例 06 气 体 分 离 膜 的 发 展 趋 势 与 展
06
趋势与展望
提高气体分离膜的性能
研发新型材料：开发具有更高分离性能和稳定性的材料 优化膜结构：改进膜的孔径、厚度、排列等结构参数 提高膜的耐久性：增强膜的抗腐蚀、抗老化等性能 降低成本：通过规模化生产、优化工艺等手段降低生产成本
开发新型气体分离膜材料
研究新型材料：开发具有更高分 离效率和稳定性的材料
在工业尾气处理中的应用
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气体分离膜的研究
气体分离膜的研究气体分离膜是一种利用膜过滤技术实现气体分离的新型分离技术。
它采用特定的材料制成薄膜，通过膜的微孔作用，实现对某种气体分子的选择性透过和排除，从而实现气体的分离纯化。
气体分离膜是一种高效、节能、环保的气体分离技术，被广泛应用于石油、化工、电子、食品等领域。
一、气体分离膜的原理气体分离膜是利用”筛分作用“实现气体分离的。
所谓筛分作用，就是通过膜材料的微孔和孔径选择性地让某种分子在膜内透过，而不让其他分子透过，从而达到分离的目的。
在具体应用中，单位面积膜材料的透气量即气体分离的效率。
二、气体分离膜的种类气体分离膜主要分为两大类：1.多孔性平膜分离气体。
多孔性平膜的优点在于孔径比较大，并且分布比较均匀，适合于分离小分子气体。
缺点是需要膜面面积比较大，单膜分离效率不高。
2.非孔径性流动膜分离气体。
非孔径性流动膜的优点在于通透性好，透气量较大。
这种膜适合于分离大分子气体，但分离效率较低。
三、气体分离膜的制备方法气体分离膜的制备方法有两种：1.浸渍法。
这种方法比较常用，常用材料是聚酰胺、聚亚麻醇酯等。
这些材料可以通过浸渍到膜载体上制成膜。
2.拉伸法。
这种方法利用弹性膜材料，在拉伸时原本的孔隙会拉长变小，这样可以让大分子气体被过滤掉，从而实现分离。
四、气体分离膜的应用领域气体分离膜的应用非常广泛，主要包括以下几个领域：1.石油化工：气态分离、C2裂解、重烃分离等领域2.食品饮料：浓缩果汁、果汁的澄清等领域3.电子：纯化氨气、光学膜、液晶显示器等领域4.环保：二氧化碳的除去、废气治理等领域五、气体分离膜的发展趋势目前，气体分离膜的应用已经越来越广泛，而且分离效率也在不断提高。
未来，气体分离膜将会向以下几个方面发展：1.新材料的应用。
目前，常用的气体分离膜材料已经满足不了某些特定的需求。
因此，未来需要开发新的气体分离膜材料，例如金属有机框架材料、纳米材料等。
2.提高进料气体的纯度。
随着气体资源的日益紧缺和气体的需求日益增长，未来气体分离膜将会更注重进料气体的纯化和分离效率的提高。
气体分离膜的工作原理及性能研究
气体分离膜的工作原理及性能研究气体分离膜是一种应用于气体分离和纯化的技术。
它通过选择性透过不同气体分子的特性，实现了气体混合物的分离。
在本文中，我们将对气体分离膜的工作原理进行深入探讨，并针对其性能进行相关研究。
1. 工作原理气体分离膜的工作原理基于气体分子在膜上的渗透和扩散过程。
这种膜通常由聚合物、无机材料或复合材料制成。
不同气体分子由于大小、形状和亲疏水性等因素的差异，将会在分离膜上呈现不同的透过速率。
当混合气体在高压驱动下通过气体分离膜时，气体分子将会通过膜的微孔或多孔结构进入膜的一侧，然后透过膜的结构，最终将分离为两个或多个组分。
透过速率较高的气体将快速透过膜，并在另一侧被收集，而透过速率较低的气体则会滞留在膜的一侧，实现了气体分离。
2. 膜的材料选择膜的材料选择对于气体分离膜的性能至关重要。
常见的膜材料包括聚合物膜、无机膜和复合膜。
聚合物膜具有良好的选择性和透过速率，且易于加工和制备。
例如，聚酯醚膜对二氧化碳具有较高的分离性能，而聚氨酯膜对甲烷具有较高的分离性能。
然而，聚合物膜的稳定性较差，容易受到温度和化学物质的影响。
无机膜由陶瓷、金属等材料制成，具有较好的稳定性和较高的选择性。
例如，氧化铝膜可用于分离氢气和氧气。
然而，无机膜的制备难度和成本较高，限制了其在工业上的应用。
复合膜由多个材料层叠而成，结合了不同材料的优势。
这种膜通常具有较高的选择性和透过速率，且具有良好的机械强度和稳定性。
例如，聚酰胺-硅氧烷复合膜可用于二氧化碳的捕获和储存。
3. 性能研究气体分离膜的性能评价通常包括两个主要指标：选择性和透过速率。
选择性指的是膜对特定气体分子的分离能力。
较高的选择性意味着膜对某一种气体的分离效果更好。
选择性通常通过气体分离系数来表示，即两种气体透过膜的速率比。
例如，氧气/氮气分离系数用于评价氧气分离膜的性能。
透过速率是指气体分子透过膜的速率。
透过速率越大，膜的分离效果越好。
透过速率通常通过渗透通量来表示，即单位面积上透过的气体量。
气体分离膜工作原理
气体分离膜工作原理气体分离膜是一种常用的分离技术，它利用薄膜材料的特殊性质，将气体混合物中的组分分离并纯化。
本文将介绍气体分离膜的工作原理，以及在工业和生活中的应用。
一、气体分离膜的工作原理气体分离膜是由具有特殊结构和性质的材料制成的。
这些材料一般被称为分离膜材料，可以是聚合物、陶瓷或金属。
在气体分离过程中，混合气体会通过膜材料，而不同成分的气体会以不同的速度通过膜材料，从而实现分离。
具体来说，气体分离膜的工作原理主要涉及两个传输过程：溶解和扩散。
首先，混合气体中的成分会溶解到膜的表面。
不同成分在膜表面的溶解度不同，从而导致浓度差异。
然后，气体成分会在膜材料中通过扩散作用，以不同速率向另一侧传递。
由于不同成分的扩散速率不同，最终达到分离的效果。
二、气体分离膜的应用气体分离膜技术广泛应用于工业和生活领域，下面将介绍其中几个主要应用。
1. 气体分离与纯化气体分离膜可以用于将混合气体中的特定成分分离和纯化。
例如，工业中常用的气体分离膜包括氧气浓缩膜、氮气浓缩膜和二氧化碳分离膜。
这些膜可以广泛应用于空分、气体净化和气体回收等领域，提高气体的纯度和回收率。
2. 膜制氢技术气体分离膜也被应用于膜制氢技术中。
这项技术可以通过分离氢气和其他气体来制备高纯度的氢气，用于燃料电池、化学加工和半导体制造等领域。
氢气分离膜需要具备高氢气通透性和选择性，以实现高效的氢气分离和纯化。
3. 气体分离与捕集气体分离膜还可用于气体分离与捕集，即将有害气体或有用气体从混合气体中分离出来。
例如，工业上利用气体分离膜来捕集二氧化碳，以减少碳排放并应对气候变化。
此外，气体分离膜也可用于分离和捕集甲烷、硫化氢等有害气体。
4. 膜反应器技术除了分离和纯化，气体分离膜还可用于膜反应器技术。
在这种应用中，气体分离膜被用作反应物与产物之间传质反应的介质。
这种技术在催化剂反应、氧化和还原反应中发挥着重要的作用，可以提高反应效率和选择性。
三、总结气体分离膜是一种重要的分离技术，在工业和生活中有着广泛的应用。
《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
(2)、无机材料 无机膜的主要优点有：物理、化学和机械稳
定性好,耐有机溶剂、氯化物和强酸、强碱溶液, 并且不被微生物降解;操作简单、迅速、便宜。
受目前工艺水平的限制,无机膜的缺点为：制 造成本相对较高,大约是相同膜面积高分子膜的10 倍;质地脆,需要特殊的形状和支撑系统;制造大面 积稳 定的且具有良好性能的膜比较困难;膜组件 的安装、密封(尤其是在高温下)比较困难;表面活 性较高。
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。
3、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。当过程的分 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。
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。
(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。
(2)精馏级联 精馏级联的流程见下图,每一级的渗透 气作为下一级的进料气,将末级的渗透气作为级联的易渗 产品,其余各级的渗余气入前一级的进料气中,还将部分易 渗产品作为回流返回本级的进料气中,整个级联只有两种 产品。其优点是易渗产品的产量与纯度比简单级联有所 提高。
1、气体分离膜
常用的气体分离膜可分为多孔膜和致密膜两种,它们 可由无机膜材料和高分子膜材料组成。膜材料的类型与 结构对气体渗透有着显著影响。例如,氧在硅橡胶中的渗 透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍。气体 分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性。
气体膜分离概述、分离机理和装置组件
存在的问题
• 深冷分离技术在费用上有一定的优势； • 变压吸附技术的发展很快。
气体膜分离机理
气体膜分离机理
• 膜法气体分离的基本原理是根据混合气体 中各组分在压力推动下透过膜的传递速率 不同，从而达到分离的目的。
两种机理： 1. 气体通过微孔膜的微孔扩散机理； 2. 气体通过致密膜的溶解-扩散机理。
气体膜分离定义
• 分离原理
• (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
致密膜气体分离与蒸汽渗透
分离机理
进料
蒸汽渗透
致密膜气体 分离
依赖于膜材 料与分离组 分的相互作
用
依赖于气体 在膜内的传
递速率
蒸汽形式 气体
微孔扩散机理
1. 努森扩散：
2.
微孔直径(dp)远小于气体分子平均自由程(λ)
• 气体在膜内的扩散过程可用费克定律来描 述，稳态时，气体透过膜的渗透流率可用 下式来表达：
J p1 p2 Q QD(c)S(c)
l
溶解-扩散机理
QD(c)S(c)
c2 D(c)dc
D(c) c1 c1 c2
S(c) c1 c2 p1 p2
2.非多孔膜内的扩散
• 对橡胶态膜, 气体渗透通过致密膜的传递方程可由
1
从渗透系数的因次可以看出它与膜面积、 膜厚及推动力无关，是个归一化的参数。 对于相互作用体系，Henry定律不再适用， P也就不在是常数，与推动力有关。
微孔扩散机理
• 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，要求混合气体通过 多孔膜的传递过程应以分子流为主。基于 此，分离过程应尽可能地满足下列条件： ①多孔膜的微孔径必须小于混合气体中各 组分的平均自由程，一般要求多孔膜的孔 径在(50~300) ×10-10m;②混合气体的温 度应足够高，压力应尽可能低。高温、低 压都可能提高气体分子的平均自由程，同 时还可避免表面流动和吸咐现象发生。
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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
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。
努森数>>1尤其当Kn≥10 气体分子平均自由程远 于膜孔径，呈努森扩散 孔内分子流动受分子与孔壁 间的碰撞作用支配 努森数≤0.01 孔径远大于操作条件气体 分子的平均运动自由程， 孔内分子流动受分子之间 碰撞作用支配
多孔膜分离机理
3.表面扩散 气体分子吸附在膜孔 壁上，在浓度差的作 用下，分子沿膜孔表 面移动，产生表面扩 散流
气体分离膜的应用
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。
空纤维膜外表面上涂敷致密的硅橡胶表层，从 而得到高渗透率、高选择性的复合膜，成功地 将之应用在合成氨弛放气中回收氢。成为气体 分离膜发展中的里程碑。至今已有百多套在运 行， Monsanto公司也因此成为世界上第一个 大规模的气体分离膜专业公司。
气体分离膜
从20世纪80年代开始，中科院大连化物所 、长春应化所等单位，在研究气体分离膜 及其应用方面进行了积极有益的探索，并 取得了长足进展。1985年，中科院大连化 物所首次成功研制了聚砜中空纤维膜氮氢 分离器。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ返回
非多孔膜的分离机理
上游
膜
上游
膜
下游 （ 1 ）
上游
膜
下游 （ 2 ）
下游 （ 3 ）
（1）气体溶解在 膜的上游表面； （2）在浓度差的 作用下，溶解在上 游表面的 气体在 膜中向膜的下游表 面扩散；（控制步 骤） （3）到达膜下游 表面的气体从膜的 下游表面解吸。
气体分离膜的应用
气体分离膜(GS)
气体分离膜
气体膜分离是指在压力差为推动力的作 用下,利用气体混合物中各组分在气体 分离膜中渗透速率的不同而使各组分分 离的过程。 气体膜分离技术的特点是：分离操作无 相变化,不用加入分离剂,是一种节能的 气体分离方法。它广泛应用于提取或浓 缩各种混合气体中的有用成分,具有广 阔的应用前景。
气体分离膜
按材料的化学组成,气体分离膜材料有高分子材 料、无机材料、有机-无机杂化材料。 (1)高分子材料
高分子材料分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 玻 璃态聚合物与橡胶态聚合物相比选择性较好,其原因是玻 璃态的链迁移性比后者低得多。玻璃态膜材料的主要缺 点是它的渗透性较低,橡胶态膜材料的普遍缺点是它在高 压差下容易膨胀变形。目前,研究者们一直致力于研制开 发具有高透气性和透气选择性、耐高温、耐化学介质的 气体分离膜材 料,并取得了一定的进展。
气体分离膜
1829 1981 1950 1954 1965
开始膜法气体透过性研究
J. V. Mitchell研究了天然橡胶的透气性
众多科学家研究大量气体分离膜
P. Mears研究了玻璃态聚合物的透气性
S. A. Sterm等从天然气中分离氦气
气体分离膜
1979年，美国Monsanto（孟山都公司）研制 出“Prism”气体分离膜装置，通过在聚砜中
气体分离膜的未来
气体膜分离是一项高效、节能、环保的新 兴技术。随着膜科学的不断发展，在国内 外对膜分离方法的研制工作取得了可喜的 成果。是21世纪关键的分离技术。 今后在开展新的制膜方法与理论、新的制 膜材料、流程和系统的优化等方面是研究 的热点。
Thank you!
A组分的浓度 [ ]透过气 PA / PB B组分的浓度 A/ B A组分的浓度 PA / PB [ ]原料气 B组分的浓度 (3)溶解度系数(S)
气体分离膜 (二) 影晌渗透通量与分离系数的因素
(1)压力 气体膜分离的推动力为膜两侧的压力差, 压 差增大,气体中各组分的渗透通量也随之升高。但实 际操作压差受能耗、膜强度、设备制造费用等条件的
4.分子筛分 膜孔介于不同气体分子 直径之间 直径小的分子就能通过 膜孔，而大分子就被挡 住，达到分离效果
多孔膜分离机理
5.毛细管凝聚
在操作温度处于较低温度的情况下，当气体通过微孔 介质时，易冷凝组分达到毛细管冷凝压力时，孔道被 易冷凝组分的冷凝液体堵塞，从而阻止非冷凝组分渗 透，从而出现毛细管冷凝分离。
气体分离膜
寿命
选择性
气体分离膜 三要素
渗透速率
气体分离膜 (一)气体分离膜的主要特性参数
(1)渗透系数(Q) 渗透系数是单位压力单位膜面积在单位时间内透过 单位膜厚度的气体的量。其单位是cm3（STP）/（ cm2· cmHg）或cm3（STP）/（cm2· atm）。 s· s· (2) 分离系数
气体分离膜的应用
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。
气体分离膜的应用
(4)、有机废气的回收 在许多石油化工、制药、油漆涂料、半导体等工业中,
每天有大量的有机废气向大气中散发。废气中挥发性
的有机物 (简称VOC)大多具有毒性,部分已被列为致 癌物。VOC的处理方法有两类：破坏性消除法和回收 法。膜分离法作为一种有前途的回收法比其他方法都 经济可行。
气体分离膜的应用
图为膜法与冷凝法结合的流程。经压缩后的有机废气进入冷凝器,气 体中的一部分VOC被冷凝下来,冷凝液可以再利用,而未凝气体进入 膜组件中,其中VOC在压力差的推动下透过膜,渗余气为脱除VOC的 气体,可以直接放空;透过气中富含有机蒸气,该气体循环至压缩机的 进口。由于VOC的循环,回路中VOC浓度迅速上升,当进人冷凝器的 压缩气体达到VOC的凝结浓度时,VOC又被冷凝下来。
气体分离膜 (2) 无机材料
无机膜的主要优点有：物理、化学和机械稳定性好,耐 有机溶剂、氯化物和强酸、强碱溶液,并且不被微生物
降解;操作简单、迅速、便宜。
受目前工艺水平的限制,无机膜的缺点为：制造成本相 对较高,大约是相同膜面积高分子膜的10倍;质地脆,需 要特殊的形状和支撑系统;制造大面积稳 定的且具有良 好性能的膜比较困难;膜组件的安装、密封(尤其是在高
气体分离膜的应用 (2)、氮氧分离
空气中含氮79%,含氧21%。选用易于透过O2 膜,在透过侧得到富集的O2,其浓度为30%~40%; 另一侧得到富集的氮气,其浓度可达95%。膜法 富氮与深冷和变压吸附法相比具有成本低、操 作灵活、安全、设备轻便、体积小等优点。
气体分离膜的应用 (3)、脱除合成天然气中的CO2制备城市煤气 合成天然气(液化石油气或石脑油精制气体) 是城市煤气的主要来源之一。由于天然气 中的CO2的含量(摩尔分数)为18%~21%,如 此高的CO2浓度会降低合成天然气的热值和 燃烧速率。因此,需将合成天然气中的CO2 含量降至2.5%~3.0%。