气体膜分离技术

高等分离工程
2020/7/18
气体膜分离 膜生物反应器
气体膜分离
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简介 膜材料 原理 设备 应用
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。
扩散
解吸
机
1、粘性流动机制
理
2、Knudsen （诺森）扩散 微孔扩散机理
3、表面扩散机制
4、分子扩散
致密膜 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
诺森数 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
• 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
• 毛细管凝聚对蒸气混合物的分离效果尤其显著
分子筛筛分
• 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 • 分子筛筛分模型
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。
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 体分离膜普遍存在渗透性偏低的难题
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
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
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。
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。
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 .Βιβλιοθήκη Baidu9 %以上。
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
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
即：Kn< 1
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
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；
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。