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。

分子筛的作用主要体现在：细小颗粒的存在对膜结构的影响；分子筛的表面活性可能会影响待分离组分在膜内传递行为从而改善膜的分离性能

按膜组件分

1、平板式膜组件平板式膜组件的优点是制造组装比较简单，操作比较方便，膜的维护、清洗、更换比较容易；缺点是制造成本较高，当膜面积增大时，对膜的机械强度要求较高。平板式膜组件的填充率较低，不如中空纤维式和卷式分离器结构紧凑，因而在气体分离中应用较少。

2、螺旋卷式膜组件

螺旋卷式膜组件也由平板膜制成，它是将制作好的平板膜密封成信封状膜袋，在两个膜袋之间衬以网状间隔材料，然后用一根带有小孔的多孔管卷绕依次放置的多层膜袋，形成膜卷；最后将膜卷装入圆筒形压力容器中，形成一个完整的螺旋卷式膜组件。

使用时，高压侧原料气从一端进入膜组件，沿轴向流过膜袋的外表面，渗透组分沿

径向透过膜并经多孔中心管流出膜组件。由于单个螺旋卷式膜组件的收率较小，

为了提高装置的收率，实际使用中常常

将多个膜组件安装在同一个耐压容器内，通过中心多孔管彼此串联起来，形成串

联式卷式膜组件。

3. 中空纤维式膜组件中空纤维膜组件常使用外压式的操作模式，即纤维外侧走原料气，渗透气从纤维外向纤维内渗透，并沿纤维内侧流出膜组件。根据原料气与渗透气相对流向不同，操作模式又分为逆流流型和错流流型。在逆流流型中，原料气与渗透气流动方向相反；而在径向错流分离器中，原料气首先沿径向流动，流动方向与中空纤维膜垂直。

按气体膜分离的机理分

1、非多孔膜

气体透过非多孔膜的传递过程通常采用溶解-扩散机理来解释。它假设气体透过膜的过程由下列步骤完成：气体与气体分离膜进行接触；气体在膜的上游侧表面吸附溶解；吸附溶解的气体在浓度差的推动下扩散透过膜，到达膜的下游侧；膜中气体的浓度梯度沿膜厚方向变成常数，达到稳定状态，此时气体由膜下游侧解吸的速度成为恒定。

2、多孔膜

多孔膜是利用不同气体通过膜孔的速率差进行分离的，其分离性能与气体的种类、膜孔径等有关。其传递机理可分为分子扩散、表面扩散、毛细管冷凝、分子筛分等

按气体分离膜的应用分

1979年美国孟山都（Monsanto）公司开发了Prism膜分离器，并成功地应用于从合成氨弛放气中回收氢，成为气体膜分离技术获得工业化应用的标志。早期气体分离膜主要用于石油炼厂气和石化行业尾气中的氢回收，近年来，随着高性能膜材料和先进制膜工艺的研究、开发，其应用领域不断扩大，已成为具有重要意义的单元操作过程之一。

1、H2的分离回收

膜分离回收氢气是目前气体分离膜的最大和最重要的商业应用领域。目前，膜法回收氢气集中应用在以下三个领域：从合成氨厂弛放气中回收氢，从石油炼厂尾气中回收氢、合成气（H2/CO）比例调节。

2、膜法富氧

与膜法氢气回收相比，膜法富氧或富氮的原料气为空气，其组成恒定不变，不含对高分子膜有害的杂质组分。空气在进入组件之前不需要经过特别的预处理，只需除去压缩空气中可能含有的少量冷凝水和压缩机油滴，流程更为简单。

3、膜法富氮

氮气作为惰性气体广泛用于油井保护、三次采油、气体置换、电子制造、金属加工、各种易爆物的贮存运输及食品保鲜等领域。从空气中制取氮气的传统方法为深冷法和变压吸附技术，与其相比膜法富氮装置成本低，操作灵活，安全，设备轻便、体积小、能耗低，在制备较低纯度氮气和使用量较少的情况下，膜法富氮具有较强的竞争力。

⏹4、在天然气工业中的应用

⏹天然气是烃和多种杂质气体的混合物，其中包括硫化氢、二氧化碳等酸性气体，还有氮、

⏹氦、水等，出于对储运、腐蚀控制、产品规格和环境保护等方面的考虑，在对天然气进行处理之前，对杂质的脱除有严格的要求。膜法对天然气的处理包括天然气中酸性气体的脱除、天然气脱湿和氦气提取等。