膜技术应用-其他膜应用
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11
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
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。
12
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 下表的数据可知，大的侧基有利于提高自由体积 而使P增加。
传递 机理
分子扩散 表面扩散 毛细管冷凝 分子筛
黏性流
10
流体的流动用努森（Knudsen）系数Kn表示时， 有三种情况：Kn≤1 属粘性流动；Kn≥1 属分子流 动；Kn ≌1 属中间流动。
多孔膜分离混合气体主要发生在Kn≥1时，这 时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在细孔内壁 间反复碰撞，并呈独立飞行状态。
8
根据这一机理，研究结论如下：
1) 气体的透过量q与扩散系数D、溶解度系数S 和气体渗透系数成正比。而这些参数与膜材料的性 质直接有关。
2) 在稳态时，气体透过量q与膜面积A和时间t 成 正比。
3) 气体透过量与膜的厚度l成反比。
9
（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。
13
表 某些聚合物材料的氧气透过率
品种 聚乙烯
PO2 ×10-2 /kPa 0.4
聚丙烯
1.63
聚异丁烯
1.3
1, 2—聚丁二烯
9.0
1, 4—聚丁二烯
29.5
3, 4—聚异戊二烯
4.8
1, 4—聚异戊二烯
23.0
品种
Cl CC
CH3 CC
PO2×10-2 /kPa 5.9
7.5
CH3 CC
C5H11
液膜分离
4
新型膜分离技术
5
气体分离膜
1. 气体分离膜的分离机理
分离机理 不同
非多孔均 质膜：溶 解扩散机
理
多孔膜： 透过扩散
机理
7
（1）非多孔均质膜的溶解扩散机理
该理论认为，气体选择性透过非 多孔均质膜分四步进行：
1
气体与膜接触
3
4
分子在膜的另 一侧逸出
溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散 2
分子溶解在膜中
膜技术应用
其他膜应用介绍
主讲教师：李祝
推动力
压力差
电位差 浓度差 浓度差 浓度差（分压差） 浓度差＋化学反应
膜过程
反渗透 超滤 微滤 纳滤 气体分离 电渗析 渗析 控制释放 渗透蒸发 液膜
应用实例
膜形态
对称
非对称
复合
海水淡化
*
*
超纯水/白蛋白浓缩
*
*
前处理/终端过滤
*
*
医药/啤酒
*Байду номын сангаас
*
气体/蒸汽分离
压力差 离子大小及电荷
水、一价离子、 多价离子
有机物
复合膜
反渗透 压力差 溶剂的扩散传递
水、溶剂
溶质、盐
非对称性膜复 合膜
3
膜分离技术
续上表
膜过程 推动力
传递机理
透过物
截留物
膜类型
渗析 浓度差 溶质的扩散传递 低分子量物、离子
溶剂
非对称性膜
电渗析 电位差
电解质离子的 选择传递
电解质离子
非电解质， 大分子物质
15
（2）制备气体分离膜的主要材料
根据不同的分离对象，气体分离膜采用 不同的材料制备。
1）H2的分离
美国Monsanto公司1979年首创Prism中空纤维 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。其中聚酰亚 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，具有 抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。
34
14
2）形态结构的影响
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，而晶区则是不透气的；
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；
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，透气性有所下 降。但对尺寸小的分子，如氢气和氦气等，透气性 则下降不大。
*
*
*
海水淡化/废水
*
人工肾
*
医用/农药
*
无水乙醇
*
*
*
金属分离/废水
*
*
2
膜分离技术
几种主要分离膜的分离过程
膜过程 推动力
传递机理
透过物
截留物
膜类型
微滤 压力差 颗粒大小形状 水、溶剂溶解物 悬浮物颗粒 纤维多孔膜
超滤
压力差 分子特性大小形状
水、溶剂小分子
胶体和超过 截留分子量
的分子
非对称性膜
纳滤
离子交换膜
气体分离 压力差
气体和蒸汽的 扩散渗透
气体或蒸汽
难渗透性气 均相膜、复合 体或蒸汽 膜，非对称膜
渗透蒸发 压力差
选择传递
易渗溶质或溶剂
难渗透性溶 均相膜、复合 质或溶剂 膜，非对称膜
液膜分离 浓度差
反应促进和 扩散传递
杂质
溶剂
乳状液膜、支 撑液膜
4
Contents
1
气体分离膜
2
渗透汽化
3
19
膜技术－应用于气体分离所面临的问题
相转化法技术发展 CA非对称膜的制备
膜技术的黄金期 反渗透，微滤，超滤
CA反渗透膜 应用于气体分离领域
迟迟难以实现
干燥造成支撑层破裂及表皮层变厚，极大损害膜性能； 干燥成为气体分离应用的瓶颈，膜材料及水结合形式。
20
气体分离膜干燥技术进展－液体萃取法
16
2）O2的分离富集
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。
PDMS是目前工业化应用的气体分离膜中PO2 最 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。
17
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 等，可大大提高CO2的透过性。同样，若在膜材料 中引入亲SO2的亚砜基团（如二甲亚砜、环丁砜 等），则能够大大提高SO2分离膜的渗透性能和分 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H2O有较好的分离作用。
18
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， 已有不少产品用于工业化生产。如美国Du Pont公司 用聚酯类中空纤维制成的H2气体分离膜，对组成为 70％H2，30％CH4，C2H6，C3H8的混合气体进行分 离，可获得含90％H2的分离效果。
此外，富氧膜、分离N2，CO2，SO2，H2S等气 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N2或 CO2，从烟道气中分离SO2、从煤气中分离H2S或 CO2等等，均可采用气体分离膜来实现。
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
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。
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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 下表的数据可知，大的侧基有利于提高自由体积 而使P增加。
传递 机理
分子扩散 表面扩散 毛细管冷凝 分子筛
黏性流
10
流体的流动用努森（Knudsen）系数Kn表示时， 有三种情况：Kn≤1 属粘性流动；Kn≥1 属分子流 动；Kn ≌1 属中间流动。
多孔膜分离混合气体主要发生在Kn≥1时，这 时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在细孔内壁 间反复碰撞，并呈独立飞行状态。
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根据这一机理，研究结论如下：
1) 气体的透过量q与扩散系数D、溶解度系数S 和气体渗透系数成正比。而这些参数与膜材料的性 质直接有关。
2) 在稳态时，气体透过量q与膜面积A和时间t 成 正比。
3) 气体透过量与膜的厚度l成反比。
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（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。
13
表 某些聚合物材料的氧气透过率
品种 聚乙烯
PO2 ×10-2 /kPa 0.4
聚丙烯
1.63
聚异丁烯
1.3
1, 2—聚丁二烯
9.0
1, 4—聚丁二烯
29.5
3, 4—聚异戊二烯
4.8
1, 4—聚异戊二烯
23.0
品种
Cl CC
CH3 CC
PO2×10-2 /kPa 5.9
7.5
CH3 CC
C5H11
液膜分离
4
新型膜分离技术
5
气体分离膜
1. 气体分离膜的分离机理
分离机理 不同
非多孔均 质膜：溶 解扩散机
理
多孔膜： 透过扩散
机理
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（1）非多孔均质膜的溶解扩散机理
该理论认为，气体选择性透过非 多孔均质膜分四步进行：
1
气体与膜接触
3
4
分子在膜的另 一侧逸出
溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散 2
分子溶解在膜中
膜技术应用
其他膜应用介绍
主讲教师：李祝
推动力
压力差
电位差 浓度差 浓度差 浓度差（分压差） 浓度差＋化学反应
膜过程
反渗透 超滤 微滤 纳滤 气体分离 电渗析 渗析 控制释放 渗透蒸发 液膜
应用实例
膜形态
对称
非对称
复合
海水淡化
*
*
超纯水/白蛋白浓缩
*
*
前处理/终端过滤
*
*
医药/啤酒
*Байду номын сангаас
*
气体/蒸汽分离
压力差 离子大小及电荷
水、一价离子、 多价离子
有机物
复合膜
反渗透 压力差 溶剂的扩散传递
水、溶剂
溶质、盐
非对称性膜复 合膜
3
膜分离技术
续上表
膜过程 推动力
传递机理
透过物
截留物
膜类型
渗析 浓度差 溶质的扩散传递 低分子量物、离子
溶剂
非对称性膜
电渗析 电位差
电解质离子的 选择传递
电解质离子
非电解质， 大分子物质
15
（2）制备气体分离膜的主要材料
根据不同的分离对象，气体分离膜采用 不同的材料制备。
1）H2的分离
美国Monsanto公司1979年首创Prism中空纤维 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。其中聚酰亚 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，具有 抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。
34
14
2）形态结构的影响
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，而晶区则是不透气的；
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；
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，透气性有所下 降。但对尺寸小的分子，如氢气和氦气等，透气性 则下降不大。
*
*
*
海水淡化/废水
*
人工肾
*
医用/农药
*
无水乙醇
*
*
*
金属分离/废水
*
*
2
膜分离技术
几种主要分离膜的分离过程
膜过程 推动力
传递机理
透过物
截留物
膜类型
微滤 压力差 颗粒大小形状 水、溶剂溶解物 悬浮物颗粒 纤维多孔膜
超滤
压力差 分子特性大小形状
水、溶剂小分子
胶体和超过 截留分子量
的分子
非对称性膜
纳滤
离子交换膜
气体分离 压力差
气体和蒸汽的 扩散渗透
气体或蒸汽
难渗透性气 均相膜、复合 体或蒸汽 膜，非对称膜
渗透蒸发 压力差
选择传递
易渗溶质或溶剂
难渗透性溶 均相膜、复合 质或溶剂 膜，非对称膜
液膜分离 浓度差
反应促进和 扩散传递
杂质
溶剂
乳状液膜、支 撑液膜
4
Contents
1
气体分离膜
2
渗透汽化
3
19
膜技术－应用于气体分离所面临的问题
相转化法技术发展 CA非对称膜的制备
膜技术的黄金期 反渗透，微滤，超滤
CA反渗透膜 应用于气体分离领域
迟迟难以实现
干燥造成支撑层破裂及表皮层变厚，极大损害膜性能； 干燥成为气体分离应用的瓶颈，膜材料及水结合形式。
20
气体分离膜干燥技术进展－液体萃取法
16
2）O2的分离富集
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。
PDMS是目前工业化应用的气体分离膜中PO2 最 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。
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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 等，可大大提高CO2的透过性。同样，若在膜材料 中引入亲SO2的亚砜基团（如二甲亚砜、环丁砜 等），则能够大大提高SO2分离膜的渗透性能和分 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H2O有较好的分离作用。
18
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， 已有不少产品用于工业化生产。如美国Du Pont公司 用聚酯类中空纤维制成的H2气体分离膜，对组成为 70％H2，30％CH4，C2H6，C3H8的混合气体进行分 离，可获得含90％H2的分离效果。
此外，富氧膜、分离N2，CO2，SO2，H2S等气 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N2或 CO2，从烟道气中分离SO2、从煤气中分离H2S或 CO2等等，均可采用气体分离膜来实现。