气体膜分离技术

一般来说, 所有的高分子膜对一切气体都是可渗透的, 只不过不同气体渗透速度各不相同.人们正是借助它们之间 在渗透速率上的差异, 来实现对某种气体的浓缩和富集。
通常人们把渗透较快的气体叫“快气”, 因为它是优先透过膜并得到富集的渗透气, 而把渗透较慢的气体叫“慢
气”, 因为较多地滞留在原料气侧而成为渗余气。“快气” 和“慢气” 不是绝对的, 而是针对不同的气体组成 而言的, 如对O2和H2体系来说, H2是“快气”,O2是“慢气”;而对O2和N2体系来说,O2则变为“快气”,因为O2比N2 透过得快.因此, 这主要由其所在体系中的相对渗透速率来决定。
Kn

dP
气体分子的平均运动自由程；
d P 膜的平均孔径 ；
粘性流
粘性流是指孔径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
Kn < 1 即：
粘性流模型：
Knudsen扩散流
Knudsen扩散流（分子流）是指孔径小于操作条件下的气体分子平均运动自由程，孔内分子流动受 分子与孔壁之间的碰撞作用支配 诺森数
发 展 历 史
1831年，英国人J. V. Mitchell系统地研究了天然橡 胶的透气性，首先揭示了膜实现气体分离的可能 性。
1954年，P. Mears进一步研究了玻璃态聚合物的透 气性，拓宽了膜材料的选择范围；
1965年，S. A. Sterm等人为从天然气中分离出氦进 行了含氟高分子膜的试验，但发现膜的通量小， 气体分离膜尚无法在工业中大规模应用； 1979年，美国Monsanto（孟山都公司）研制出 “Prism”气体分离膜装置，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。
高分子有机膜做成的气体膜, 一般是复合膜, 分三层结构, 由不同材料制成的, 如图所示底面是无纺布支撑层; 中 间是多孔膜支撑层, 它具有不对称结构, 要求对气体渗透没有阻力; 最上层为致密膜。常规高分子膜大多存在渗透性
和选择性相互制约的Trade-off 现象，即Ｒobeson 上限。为了保证较高的气体选择性，目前工业上使用的高分子气
高透气性、良好的透气选择性
膜 材 料 要 求
高的机械强度 优良的热和化学稳定性 良好的成膜加工性能
按材料的性质区分,气体分离膜材料主要有高分子材料、无机材料和高分子-无机复合材料三大类。目前气体分 离用膜材料主要有高分子聚合物膜材料和无机膜材料两大类。高分子膜因具有制造成本低、结构可控性强、成膜性好 等优点而被广泛应用于气体分离膜的制备
③高分子-无机复合或杂化材料
采用高分子-陶瓷复合膜,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。 。
根据气体通过膜的分离机理不同其原理主要有以下两种：
溶解扩散机理： 吸 着
扩散
Kn
>1
扩散流模型：
表面扩散流
• 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
Baidu Nhomakorabea
• 通常沸点低的气体易被孔壁吸附，而且操作温度越低，孔径越小，表面扩散越显著 • 表面扩散流机理在蒸气分离中一般比努森扩散有效。
毛细管凝胶模型 • 在膜孔比分子筛稍大几或十几10 10 m中 • 气体混合物中易冷凝组分在毛细管凝聚作用下在孔内冷凝，阻碍了其他组分 分子通过，从而达到分离效果
体分离膜普遍存在渗透性偏低的难题
②无机材料 无机膜属固态膜的一种, 是由无机材料、无机高分子材料制成的半透膜, 根据其组成不同, 它包括Al2O3 、ZrO2 、 TiO2 、SiO2 、C 、SiC 及其复合膜;此外, 硅酸盐材料及沸石材料也备受重视。 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,孔径分布窄;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。 由于陶瓷膜的这些特点, 目前它主要用于一些高分子膜所无法应用的一些领域, 如高温、高压、强腐蚀性环境中, 所以采用无机膜进行高温气体净化更具实用性 , 如 ceramen 公司设计了一种新型膜过滤器 , 对气体的除尘率达 99 .99 %以上。
气体膜分离过程的关键是膜材料，目前用于气体分离的膜种类繁多, 根据结构的差异将其分为2类:多
孔膜和高分子致密膜(也称非多孔膜)，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。
解吸
机
致密膜
1、粘性流动机制
理
微孔扩散机理
2、Knudsen （诺森）扩散 3、表面扩散机制 4、分子扩散
多孔膜
气体在多孔膜中的分离机理 气体透过多孔膜的过程, 有的可以用一种机理来解释, 有的可能同时存在2种以上的机理, 这取决于膜对 气体的分离性能, 与气体性质及膜孔径大小有关
气体在微孔膜中的分离效应决定因素诺森数 Kn
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。
• 毛细管凝聚对蒸气混合物的分离效果尤其显著
高等分离工程
气体膜分离
膜生物反应器
气体膜分离
1 2 3 4
简介 膜材料
原理
设备
应用
5
简介
气体膜分离技术是利用原料混合气中不同气体对膜材料具有不同渗透 率, 以膜两侧气体的压力差为推动力, 在渗透侧得到渗透率大的气体富 集的物料, 在未渗透侧得到不易渗透气体富集的分离气, 从而达到气体 分离目的。