气体分离膜讲解

共混改源自文库方法
聚酰亚胺/ 无机纳米粒子共混改性 聚酰亚胺/ 过渡金属有机络合物共混改性 聚酰亚胺/ 聚合物共混改性 共聚改性
其它改性方法
共聚改性 离子束改性
参考文献
李悦生,丁孟贤,徐纪平.聚酰亚胺气体分离膜材料的结构与性能[J]. 高分子通 报,1998,3:1-8
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但同时聚酰亚胺又存在易塑化，气体的渗 透性和分离性难以平衡，易老化使用寿命较短 等缺点
聚酰亚胺基气体分离膜的改性方法
分子结构改造方法(合成改性) 交联改性方法 共混改性方法 其它改性方法
分子结构改造方法(合成改性)
聚酰亚胺是由芳香族或脂肪环族四酸二酐和 二元胺缩聚得到的芳香环或者脂肪环高聚物. 二酐和二胺的化学结构是影响其透气性的主 要因素 ,通过改变二胺或二酐的化学结构可获 得高性能的聚酰亚胺气体分离膜材料
气体分离膜材料可分：
高分子材料 无机材料 有机一无机杂化材料 。 金属材料
高分子聚合物气体分离膜材料包括
聚砜类 硅橡胶 醋酸纤维素 聚碳酸酯 聚酰亚胺
聚酰亚胺( PI) 是一类环链化合物, 最早是 Bogert 和 Renshaw在 1906 年合成的. 根据聚酰 亚胺的结构和制备方法可分成两大类: ( 1) 主链中 含有脂肪链的聚酰亚胺; ( 2) 主链中含有芳族的聚 酰亚胺. 其通式为:
扩散系数（D） 用渗透气体在单位时间内透过膜 的气体体积来表示。它随气体分子量的增大而减小。
分离系数（α） 它标致膜的分离选择性能。 溶解度系数(S) 表示膜收拢气体能力的大小。它
与被溶解的气体及高分子种类有关。
气体分离膜的材料
理想的气体分离膜材料应该考虑以下因素： 气体通透性和气体分离系数。 力学性能。 玻璃转化温度和熔化温度。 膜的临界压力。 膜的可用性和加工性能。 经济性。
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对于脂族聚酰亚胺, R′= ( CH 2 ) m , 对于芳族聚酰亚胺, R′= Ar .
80 年代中期, 日本宇部兴产公司开发了联苯 型共聚酰亚胺气体膜分离器, 已成功地用于氢 回收、气体除湿和乙醇气相脱水等工业过程
稍后, 美国杜邦公司又开发了用于空气富氮的 含氟聚酰亚胺气体膜分离器。
聚酰亚胺(PI) 因其稳定的化学结构 ,优良 的机械性能和高的自由体积 ,使其在分离气体 混合物时能在具有较高渗透通量的同时还保 持较高的选择性 ,所以广泛地应用于气体分离 膜的制备。
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气体膜分离
分离机理 材料
膜分离与其他分离过程相比的优点：
节能 投资少 易于安装、易于移动（撬装体） 操作简单 重量轻、占地少 不需加入其他组分，无污染 操作易于调节（无液泛、漏液、夹带等）
在以下几个方面已经有了大规模的应用：
氢气的分离和回收 空气分离 酸性气体分离 气体脱湿 有机蒸汽回收
气 体 分 离 膜 的 原 理:
气体透过多孔膜与非多孔膜的机理是不 同的。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。
气体通过多孔膜的传递机理可分为分子 流、粘性流、表面扩散流、分子筛筛分 机理、毛细管凝聚机理等。
气体通过非多孔膜按传递机理可分溶解~ 扩散和双吸收~双迁移机理等。
如在二酐中引入含氟基团 ( —CF 3 ) 后 ,聚酰 亚胺不仅溶解性有所改善 ,而且其透气性也显 著增加
交联改性方法
聚酰亚胺交联形成网络后 ,链段活动性减小 , 透气性下降 ,气体选择性提高. 有时交联在减 小链段活动性的同时 ,也可能增大自由体积 , 导致透气性和气体选择性同时升高
● 紫外( UV) 辐射交联改性 ● 化学交联改性
微孔扩散机理
多孔介质中气体传递机理包括分子扩散 、粘性流动、 努森扩散及表面扩散等。由于多孔介质孔径及内孔 表面性质的差异使得气体分子与多孔介质之间的相 互作用程度有所不同，从而表现出不同的传递特征 。 混合气体通过多孔膜的传递过程应以分子流为主 ， 其分离过程应尽可能满足下述条件 ：(1)多孔膜的微 孔孔径必须小于混合气体中各组分的平均自由程。 (2)混合气体的温度应足够高，压力尽可能低，高温、 低压都可提高气体分子的平均自由程，同时还可避 免表面流动和吸附现象发生 。
对流 努森扩散
溶解~扩散
筛分 （表面扩散）
气体透过多孔膜和无孔膜的机理
气体渗透系数： 气体分离系数：
气体分离膜的主要特性参数
渗透系数（P） 表示气体通过膜的难易程度，是 体现膜性能的重要指标。它因气体的种类、膜材料 的化学组成和分子结构的不同而异。当同一种气体 透过不同的气体分离膜时，P主要取决于气体在膜 中的扩散系数；而同一种α 膜对不同气体进行透过时， P的大小主要取决于气体对膜的溶解系数。
溶解 一扩散 机 理
气体通过非多孔膜的传递过程一般用溶解 一扩散机 理来解释 ，气体透过膜的过程可分为三步 ：(1)气 体在膜的上游侧表面吸附溶解 ，是吸附过程 ；(2) 吸附溶解在膜上游侧表面的气体在浓度差的推动下 扩散透过膜 ，是扩散过 程 ；(3)膜下游侧表面的气 体解吸 ，是解吸过程。 一 般来说 ，气体在膜表面 的吸着和解吸过程都能较快地达到平衡 ，而气体 在膜内的渗透扩散过程较慢 ，是气体透过膜的速 率控制步骤 。