气体分离膜讲解
气体膜分离解读
（4）膜分离法制氮与PSA法经济性比较 A/GTechnology对制取同一种浓度的氮气产(95%), 用膜法与用PSA法进行了分析比较,比较结果见下表。
从上表可以看出,两种方法制备富氮的费用大致相等, 但基本投资项膜法比PSA法（变压吸附法）少25%。此外, 膜法相对来说移动部分较少,预处理部分相对简单,启动 快,不需要冷却水,这是PSA法所无法比拟的。 此外，气体膜技术还可从合成氨弛放气分离回收 H 2 。 膜分离回收氢气,是当前应用面广,装置销售量最大的一种。 广泛用于合成氨厂、炼油工业和石油化工。用这方法回 收尾气中的氢气,循环于系统中,方法有效又安全,提高系 统的生产能力,最早用于合成氨驰放气中氢气的回收。我 国中型氨厂的合成系统弛放气,长期以来均作为燃料烧掉。 这部份气量相当于合成新鲜气的5一7%,如将其有效成分 回收利用,则对降低合成氨能耗、提高氨产量,增加工厂 的效益具有重要意义。采用膜分离装置回收其中有效成 份后可使氨增产3一5%,每吨氨能耗降低1.8一3%。。
以上讨论是限于纯气体(单一气体)的传递 过程,对于混合气体为获得良好的分离效果, 要求混合气体通过多孔膜应以努森扩散为 主,基于此,分离过程应尽可能满足以下条 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行程 ② 混合气体的温度足够高,压力应尽可能 低,高温低压可以提高分子的 值
3.膜材料
常用的气体膜分离可分为多孔膜和致密膜两种，他们 可由无机膜材料和高分子膜材料组成。其中，无机材料主 要有多孔玻璃、陶瓷、金属（多孔质）和离子导电型固体、 钯合金等（致密膜）；高分子材料主要有聚烯烃类、醋酸 纤维素类（多孔质）和均质醋酸纤维素类、合成高分子 （致密膜） 膜材料的类型与结构对气体渗透有着显著影响。气体 分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性和选择性。 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。其中高分子材料 又分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 高分子材料 和无机材料各有优缺点，采用复合材料可以较好地利用高 分子和无机材料的优点，以实现分离要求。
气体膜分离技术
气体膜分离技术面临着来自其他分离技术的竞争压力，如蒸馏、吸附、吸收等。为了在市 场上获得竞争优势，需要不断提高技术的性能和降低成本。
技术创新
通过技术创新不断改进气体膜分离技术的性能和降低成本是市场成功的关键。这包括研发 新型膜材料、优化膜组件的设计和操作参数，以及开发新的应用领域。
未来发展方向与趋势
新型膜材料的研发
随着材料科学的不断发展，未来 将有更多新型的膜材料涌现，为 气体膜分离技术的发展提供新的
可能性。
集成化与智能化
未来气体膜分离技术将朝着集成 化和智能化的方向发展，实现多 级分离、能量回收和自动控制等
功能。
应用领域的拓展
随着气体膜分离技术的不断改进 和成本的降低，其应用领域将进 一步拓展，包括氢气、二氧化碳 等特殊气体的分离，以及生物医
气体膜分离技术
• 气体膜分离技术概述 • 气体膜分离技术的基本原理 • 气体膜分离技术的主要工艺流程
• 气体膜分离技术的实际应用案例 • 气体膜分离技术的挑战与前景
01
气体膜分离技术概述
定义与原理
定义
气体膜分离技术是一种基于气体在压 力驱动下通过高分子膜的选择性渗透 进行混合气体分离的先进技术。
原理
利用不同气体在膜中溶解和扩散速率 的不同实现选择性分离。在压力差的 作用下，渗透速率较快的组分优先透 过膜，从而达到分离目的。
分类与特点
分类
根据膜材料和分离机理，气体膜分离 技术可分为有机膜分离和无机膜分离 两类。
特点
操作简单、能耗低、无相变、无污染、 分离效率高、可实现大规模连续生产 等。
应用领域
工业气体分离
用于从混合气体中分离出氢气 、氮气、氧气等高纯度气体， 广泛应用于石油、化工、冶金
第六章气体膜分离ppt课件
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
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分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
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气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
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描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
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气体分离膜品类
气体分离膜品类1. 介绍气体分离膜是一种用于分离混合气体中不同组分的薄膜材料。
它通过选择性渗透性能，将混合气体中的组分分离出来，实现纯化和浓缩的目的。
气体分离膜广泛应用于气体分离、气体纯化、气体回收等领域，具有高效、节能、环保等优点。
2. 气体分离膜的原理气体分离膜的分离原理基于气体分子的渗透和扩散。
气体分子在薄膜材料中通过渗透和扩散的方式，根据其分子大小、极性、溶解度等特性，以不同的速率通过膜层，从而实现气体的分离。
常见的气体分离膜包括聚合物膜、无机膜和复合膜等。
聚合物膜通常由聚合物材料制成，具有良好的选择性和渗透性能；无机膜由无机材料制成，具有较高的稳定性和耐腐蚀性能；复合膜则是将聚合物膜和无机膜等不同材料组合而成，综合了各自的优点。
3. 气体分离膜的应用领域气体分离膜广泛应用于各个领域，包括能源、化工、环保、医药等。
3.1 能源领域在能源领域，气体分离膜被用于天然气处理、氢气纯化、煤气脱硫等。
例如，在天然气处理中，气体分离膜可将天然气中的甲烷、乙烷等组分分离出来，提高天然气的纯度和质量。
3.2 化工领域在化工领域，气体分离膜可以用于气体分离、溶剂回收、废气处理等。
例如，在溶剂回收中，气体分离膜可以将有机溶剂与废气中的气体分离，实现溶剂的回收利用，减少环境污染。
3.3 环保领域在环保领域，气体分离膜可以用于废气处理、二氧化碳捕集等。
例如，在二氧化碳捕集中，气体分离膜可以将二氧化碳与其他气体分离，实现二氧化碳的回收和利用，减少温室气体的排放。
3.4 医药领域在医药领域，气体分离膜可以用于气体纯化、药品生产等。
例如，在氧气纯化中，气体分离膜可以将氧气与其他气体分离，提高氧气的纯度和质量，用于医疗设备和治疗。
4. 气体分离膜的发展趋势随着科技的不断进步和应用需求的增加，气体分离膜也在不断发展和创新。
以下是气体分离膜的发展趋势：4.1 提高分离性能气体分离膜的分离性能是衡量其性能优劣的重要指标。
未来的发展趋势是提高膜材料的选择性和渗透性能，实现更高效的气体分离和纯化。
气体膜分离
(1)由于使用TMG膜分离系统，所以没有运动部 件，故障率极低，运行可靠性高，几乎不需维修， 膜组寿命长，使用年限保证在10年以上; (2)完备的控制系统保证氮气的纯度、流量和压 力具有高的稳定性; (3)启动迅速，操作简单，开启3min后即可供氮; (4)系统为模块设计，结构紧凑; (5)气体分离过程无噪音，无污染，并且不产生 任何有害废弃物.经过一级膜分离后，富氮浓度 一般可达99.5%(相对于氧而言，即无氧含量
四、制氮工艺流程
膜分离法制高纯氮的一般工艺流程(以天津 Messer公司产品为例)见图2。 空气经空压机加压后，再经过两级油水分离 器，两级颗粒过滤器以及碳过滤器和加热器， 使得原来含尘、含油、含水分高的空气，变成 含油、含尘、含水低的干净的压缩空气，干净 的压缩空气再在膜组的作用下，实现氧氮分离. 该流程的主要特点为：
2)进一步优化气体膜组件、膜装臵、膜过程 3)气体膜分离装臵向控制自动化程度高的方向发 展.目前已能对气体的浓度、温度、压力、露点 等进行自动控制，甚至可以全面实现与计算机 接口.全部操作可在电脑上进行 4)开发简单方便、普遍适用的制备中空纤维超薄 皮层(<5*10—8m)的方法 5)进一步优化气体膜制备生产工艺，以降低膜的 生产成本
气体分离膜技术手册
气体分离膜技术手册气体分离膜技术手册1、引言1.1 背景1.2 目的1.3 适用范围2、气体分离膜技术概述2.1 气体分离膜原理2.2 分离膜的分类2.3 气体分离膜的优势2.4 气体分离膜的应用领域3、气体分离膜材料3.1 聚合物膜3.2 陶瓷膜3.3 碳基膜3.4 声波膜3.5 混合膜4、气体分离膜的性能评估4.1 通透性4.2 选择性4.3 稳定性4.4 实际运行性能5、气体分离膜模块5.1 膜模块的结构5.2 膜模块的选型5.3 膜模块的维护与管理6、气体分离膜系统设计与优化 6.1 系统设计原则6.2 膜元件布置6.3 气体进出口管道设计6.4 辅助设备选择7、气体分离膜的实践应用案例 7.1 氢气分离7.2 二氧化碳分离7.3 甲烷气分离7.4 氧气浓缩8、安全与环境考虑8.1 气体泄漏处理8.2 废气处理8.3 确保操作人员的安全9、附录9.1 相关表格9.2 相关图表9.3 参考文献本文档涉及附件：附件1、分离膜材料性能对比表附件2、气体分离膜系统设计流程图附件3、气体分离膜实践应用案例数据本文所涉及的法律名词及注释：1：常规法律名词及解释- 气体分离膜：通过分子尺度的选择通透性，将混合气体分离的一种薄膜类技术。
- 通透性：膜材料对特定气体的透过率与压力差的比值。
- 选择性：膜材料对混合气体中不同组分的分离程度。
- 系统设计原则：在满足气体分离要求的前提下，合理选择膜材料和系统配置。
2：相关法律名词及解释- 环境保护法：保护环境、预防和控制污染，维护生态安全，保障人民健康的法律。
- 安全生产法：保障企事业单位安全生产、防止和减少事故、减轻事故灾害损失的法律。
气体分离膜的制备及性能研究
气体分离膜的制备及性能研究一、前言近年来，气体资源的稀缺性越来越引人关注。
气体分离技术在工业、环保、能源等领域具有广泛应用。
其中，气体分离膜作为一种新型分离技术，因其具有操作简单、体积小、节能降耗等优点，被广泛关注和应用。
本文将介绍气体分离膜的制备及性能研究，以期为工程师和科研人员提供参考。
二、气体分离膜的种类气体分离膜目前主要分为两类，即有机膜和无机膜。
有机膜：有机膜是一种聚合物膜，基于不同材料的不同选择，可以制成高分子膜。
其中较常用的材料有聚丙烯、聚二甲基硅氧烷等。
有机膜具有生物可降解和成本低的优点。
但其分离性和流量较低，不适合用于高端工业。
无机膜：无机膜又称为无机陶瓷膜，是以氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、硅氧化合物（SiO2）等为主要原料的陶瓷材料制成。
无机膜具有稳定性高，易于清洗和耐腐蚀等优点，成本较高。
三、气体分离膜的制备目前，气体分离膜的制备方法主要包括化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、浸涂法、电泳沉积法、物理气相沉积法等。
本文将着重介绍物理气相沉积法和溶胶-凝胶法的制备工艺。
物理气相沉积法：该法需要使用专门的物理气相沉积设备，将膜材料用高压电子束蒸发形成蒸气，再将蒸气通过特定的管道传输到基板上，最后通过表面的凝结和固化过程形成薄膜。
该方法制备的气体分离膜具有厚度均匀、粒度细、结晶度高等特点，但设备价值较高，生产成本也高。
溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是将交联剂和溶剂混合，再将光敏剂加入到混合液中形成溶胶胶体，然后将胶体薄层沉积到基板上，最后交联胶体成膜。
该方法制备的气体分离膜具有膜厚度可调、制备过程简单、成本低等优点。
但其缺点是薄膜粘附性差、绘制线宽度受到限制等。
四、气体分离膜性能研究气体分离膜的性能研究主要包括分离性、通量、选择性等方面。
分离性：指在同样外部操作条件下，膜的分离效果。
通常可以通过气体通量和选择性分离系数等指标来评价分离性能。
在制备气体分离膜时，要通过控制膜厚度、制备温度和气体流量等参数来优化气体分离性能。
气体分离膜讲解
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 。
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。
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。
第七章 气体分离膜及液膜
1. 气体分离膜的分离机理 气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔
膜。它们的分离机理各不相同。 （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：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解 的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另 一侧逸出。
1
5
气体分离膜
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
（7-1）
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，而与膜材料性质无关。
6
气体分离膜
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 表1可知，大的侧基有利于提高自由体积而使P增加。
2. 液膜的组成与类型 （1）液膜的组成
1）膜溶剂 膜溶剂是形成液膜的基体物质。选择膜溶剂主 要考虑膜的稳定性和对溶剂的溶解性。为了保持膜 的稳定性，就要求膜溶剂具有一定的粘度。膜溶剂 对溶质的溶解性则首先希望它对欲提取的溶质能优 先溶解，对其他欲除去溶质的溶解度尽可能小。当 然膜溶剂不能溶于欲被液膜分隔的溶液，并希望膜 溶剂与被其分隔的溶液有一定的相对密度差（一般 要求相差0.025 g/cm3）。
气体分离膜
（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。 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。
第八章 气体分离膜
热致相分离法
原理：通过加 热使聚合物发 生相分离，形
成微孔结构
优点：制备过 程简单，成本
低
缺点：微孔尺 寸难以控制， 膜性能不稳定
应用：主要用 于制备微孔膜， 如气体分离膜、
渗透膜等
溶液浇铸法
原理：通过溶液 浇铸形成膜层
步骤：将溶液浇 铸在基材上，形 成膜层
优点：操作简单， 成本低
缺点：膜层厚度 不均匀，性能不 稳定
浸没沉淀相转化法
原理：通过控制溶 液中的化学成分和 温度，使溶液中的 溶质发生沉淀反应， 形成沉淀物。
步骤：将溶液加热 至一定温度，加入 沉淀剂，搅拌，使 溶质沉淀，过滤， 洗涤，干燥。
优点：操作简单， 成本低，可大规模 生产。
应用：广泛应用于 气体分离膜的制备 ，如氢气、氧气、 氮气等气体的分离 。
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气体分离膜
XX,
汇报人：XX
20XX.XX.XX
目 录
01 单 击 添 加 目 录 项 标 题 02 气 体 分 离 膜 的 原 理 03 气 体 分 离 膜 的 制 备 方 法 04 气 体 分 离 膜 的 性 能 指 标 05 气 体 分 离 膜 的 应 用 实 例 06 气 体 分 离 膜 的 发 展 趋 势 与 展
06
趋势与展望
提高气体分离膜的性能
研发新型材料：开发具有更高分离性能和稳定性的材料 优化膜结构：改进膜的孔径、厚度、排列等结构参数 提高膜的耐久性：增强膜的抗腐蚀、抗老化等性能 降低成本：通过规模化生产、优化工艺等手段降低生产成本
开发新型气体分离膜材料
研究新型材料：开发具有更高分 离效率和稳定性的材料
在工业尾气处理中的应用
添加 标题
气体膜分离技术
D
binodal
C' B A cp
C''
spinodal
Loeb和Sourirajan提出的。非对 称膜成功研制是膜技术发展史上 一个里程碑，提高了人们对膜结 构认识，使膜技术研究开发跨入 了飞速发展新时代。
三元组分典型相图
平板膜制备
聚合物溶液
刮刀
无纺布
无纺布
后处理
凝胶浴
连续刮膜过程
中空纤维膜制备
用途举例 纯水制造，溶 液除菌 药品浓缩，废 水处理 盐（海）水脱 盐 人工肾
溶液脱盐，金 属离子回收 N2-H2,N2-O2, CH4-CO2 分离 无水酒精制造
膜过程的优点
膜过程的特点
膜过程的核心内容
通常是高效分离过程 常温操作 无化学变化 通常无相变化 连续操作 放大容易 易与其他分离过程衔接 缺点 浓差极化及膜污染 膜寿命有限 放大因子基本是线性的
膜形态例子
平板膜
中空纤维膜
膜断面非对称结构
未透过气体
原料气体 渗透气体
中空纤维膜分离器结构
Schematic diagram of skid-mounted membrane system for removal of C3+ from natural gas
分离膜制备及成膜机理
沉浸凝胶相转化法制膜
Asahi Chemical
Amicon Corp. Amicon Corp.、Koch Eng. Inc.
Nitto Denko
Alza Corp.
Alza Corp.、Ciba,SA
Permea(Dow) GFT GmbH
Permea/Air Prod.、Ube Ind. Hoechst/Celanese
气体分离膜的工作原理及性能研究
气体分离膜的工作原理及性能研究气体分离膜是一种应用于气体分离和纯化的技术。
它通过选择性透过不同气体分子的特性，实现了气体混合物的分离。
在本文中，我们将对气体分离膜的工作原理进行深入探讨，并针对其性能进行相关研究。
1. 工作原理气体分离膜的工作原理基于气体分子在膜上的渗透和扩散过程。
这种膜通常由聚合物、无机材料或复合材料制成。
不同气体分子由于大小、形状和亲疏水性等因素的差异，将会在分离膜上呈现不同的透过速率。
当混合气体在高压驱动下通过气体分离膜时，气体分子将会通过膜的微孔或多孔结构进入膜的一侧，然后透过膜的结构，最终将分离为两个或多个组分。
透过速率较高的气体将快速透过膜，并在另一侧被收集，而透过速率较低的气体则会滞留在膜的一侧，实现了气体分离。
2. 膜的材料选择膜的材料选择对于气体分离膜的性能至关重要。
常见的膜材料包括聚合物膜、无机膜和复合膜。
聚合物膜具有良好的选择性和透过速率，且易于加工和制备。
例如，聚酯醚膜对二氧化碳具有较高的分离性能，而聚氨酯膜对甲烷具有较高的分离性能。
然而，聚合物膜的稳定性较差，容易受到温度和化学物质的影响。
无机膜由陶瓷、金属等材料制成，具有较好的稳定性和较高的选择性。
例如，氧化铝膜可用于分离氢气和氧气。
然而，无机膜的制备难度和成本较高，限制了其在工业上的应用。
复合膜由多个材料层叠而成，结合了不同材料的优势。
这种膜通常具有较高的选择性和透过速率，且具有良好的机械强度和稳定性。
例如，聚酰胺-硅氧烷复合膜可用于二氧化碳的捕获和储存。
3. 性能研究气体分离膜的性能评价通常包括两个主要指标：选择性和透过速率。
选择性指的是膜对特定气体分子的分离能力。
较高的选择性意味着膜对某一种气体的分离效果更好。
选择性通常通过气体分离系数来表示，即两种气体透过膜的速率比。
例如，氧气/氮气分离系数用于评价氧气分离膜的性能。
透过速率是指气体分子透过膜的速率。
透过速率越大，膜的分离效果越好。
透过速率通常通过渗透通量来表示，即单位面积上透过的气体量。
气体分离膜概述
一、什么是气体分离膜？气体分离膜是利用特殊制造的膜与原料气接触，在膜两侧压力差驱动下，气体分子透过膜的现象。
由于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。
如合成氨尾气中收集氢气、从空气中富集氧气、从石油裂解混合气中分离氢气、一氧化碳等气体、进行二氧化碳捕集、回收VOCs等。
二、气体分离膜的前世今生早在1831年J. V. Mitchell用膜进行氢气和二氧化碳混合气渗透实验，发现了不同种类气体分子透过膜的速率不同的现象，首先揭示了用膜实现气体分离的可能性。
1866年，T. Graham研究橡胶膜对气体的渗透性能，用膜可以将空气中氧气由21％富集至41％，并提出了现在广为人知的溶解－扩散机理，即气体分子首先在膜表面溶解，使膜两侧表面产生浓度梯度，在这浓度梯度驱动下，分子在膜内扩散，最后在膜另一侧表面解析。
同时他还发现如增加膜的厚度，膜对气体的渗透速率减少，但对气体选择性不变。
虽然在一百多年前科学家就已经发现利用膜实现气体分离的可能性，但由于当时没有找到合适的膜结构，膜的渗透速率很低，膜分离难以与传统的分离技术如深冷、吸收等竞争，而未能引起产业界的足够重视。
气体膜分离应用研究始于本世纪50年代初，1950年S.Weller和W.A. Steier用25 μm的乙基纤维素平板膜进行空气分离，得到氧浓度为32～36％的富氧空气。
稍后1954年D.W. Bubaker 和K.Kammermeyer发现硅橡胶膜对气体的渗透速率比乙基纤维素大500倍，具有优越的渗透性。
1965年S.A.Stern等用厚25μm的聚四氟乙烯膜，采用三级膜分离从天然气中浓缩氦气。
（美国杜邦公司）1960年Lobe和Sourirajan用相转化法制造出醋酸纤维非对称膜，并成功地应用于反渗透过程。
但由于膜在干燥过程中，水的表面张力作用致使膜表面产生孔缺陷，而无法用于气体分离。
气体分离膜工作原理
气体分离膜工作原理气体分离膜是一种常用的分离技术，它利用薄膜材料的特殊性质，将气体混合物中的组分分离并纯化。
本文将介绍气体分离膜的工作原理，以及在工业和生活中的应用。
一、气体分离膜的工作原理气体分离膜是由具有特殊结构和性质的材料制成的。
这些材料一般被称为分离膜材料，可以是聚合物、陶瓷或金属。
在气体分离过程中，混合气体会通过膜材料，而不同成分的气体会以不同的速度通过膜材料，从而实现分离。
具体来说，气体分离膜的工作原理主要涉及两个传输过程：溶解和扩散。
首先，混合气体中的成分会溶解到膜的表面。
不同成分在膜表面的溶解度不同，从而导致浓度差异。
然后，气体成分会在膜材料中通过扩散作用，以不同速率向另一侧传递。
由于不同成分的扩散速率不同，最终达到分离的效果。
二、气体分离膜的应用气体分离膜技术广泛应用于工业和生活领域，下面将介绍其中几个主要应用。
1. 气体分离与纯化气体分离膜可以用于将混合气体中的特定成分分离和纯化。
例如，工业中常用的气体分离膜包括氧气浓缩膜、氮气浓缩膜和二氧化碳分离膜。
这些膜可以广泛应用于空分、气体净化和气体回收等领域，提高气体的纯度和回收率。
2. 膜制氢技术气体分离膜也被应用于膜制氢技术中。
这项技术可以通过分离氢气和其他气体来制备高纯度的氢气，用于燃料电池、化学加工和半导体制造等领域。
氢气分离膜需要具备高氢气通透性和选择性，以实现高效的氢气分离和纯化。
3. 气体分离与捕集气体分离膜还可用于气体分离与捕集，即将有害气体或有用气体从混合气体中分离出来。
例如，工业上利用气体分离膜来捕集二氧化碳，以减少碳排放并应对气候变化。
此外，气体分离膜也可用于分离和捕集甲烷、硫化氢等有害气体。
4. 膜反应器技术除了分离和纯化，气体分离膜还可用于膜反应器技术。
在这种应用中，气体分离膜被用作反应物与产物之间传质反应的介质。
这种技术在催化剂反应、氧化和还原反应中发挥着重要的作用，可以提高反应效率和选择性。
三、总结气体分离膜是一种重要的分离技术，在工业和生活中有着广泛的应用。
气体分离膜的分离机理-概述说明以及解释
气体分离膜的分离机理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述气体分离膜是一种重要的分离技术，它通过特殊的膜材料和适当的分离条件，实现了对气体混合物中不同成分的有效分离。
在工业和生活的许多领域中，气体的分离和纯化是一项至关重要的任务。
传统的方法如吸附、吸收和蒸馏等虽然能够实现气体的分离，但这些方法通常存在能耗高、流程复杂和成本昂贵等问题。
相比而言，气体分离膜技术具有许多优势。
首先，它是一种低能耗的分离方式，不需要加热或冷却等额外能源消耗。
其次，气体分离膜具有结构简单、操作方便和占地面积小的特点，可以很好地适应各种应用场景。
此外，气体分离膜的分离效果高、选择性好，能够实现对不同气体分子大小、极性和溶解度等差异的有效分离。
气体分离膜的应用范围十分广泛，包括但不限于石油化工、气体纯化、空分、生物医药、环境保护等领域。
例如，在石油化工行业中，气体分离膜可以用于乙烯和丙烯的分离，提高乙烯的纯度和收率。
在环境保护方面，气体分离膜可以应用于二氧化碳捕获和回收，在减少二氧化碳排放的同时节约能源资源。
本文将重点讨论气体分离膜的分离机理。
通过对气体分离膜分子结构和分离机制的深入研究，可以更好地理解膜材料在气体分离过程中的作用方式和原理。
同时，对于分离机理的探索也有助于开发设计更高效、选择性更好的气体分离膜材料，并为未来的技术发展提供指导和借鉴。
综上所述，气体分离膜技术是一项具有重要意义和广阔应用前景的分离技术。
通过深入研究气体分离膜的分离机理，我们可以更好地理解其工作原理，为气体分离膜的设计和应用提供理论基础和技术支持。
在未来的发展中，我们可以通过进一步优化膜材料和改进分离工艺，实现更高效、节能环保的气体分离过程。
1.2文章结构文章结构是论文的框架，它描述了文章的主要部分和各个部分之间的逻辑关系。
本文分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分旨在为读者提供关于气体分离膜的背景信息和研究重要性的概述。
其中，第1.1小节概述将简要介绍气体分离膜以及其在工业和环境领域的应用。
《气体膜分离技术》课件
03
气体膜分离技术分类
根据驱动力的分类
压差驱动
利用不同气体在膜上的溶解-扩散 差异，在压力差的推动下实现混 合气体的分离。
浓度差驱动
利用不同气体在膜上的吸附-脱附 性能差异，在浓度差的推动下实 现混合气体的分离。
电场驱动
在电场的作用下，利用不同气体 在膜上的电离或吸附性能差异， 实现混合气体的分离。
01
03
气体膜分离技术的进一步发展需要加强基础研究，提 高膜材料的性能和可靠性，同时加强与其他领域的交
叉合作，拓展应用领域和市场空间。
04
气体膜分离技术与其他分离技术的结合将为工业气体 分离和净化提供更多元化的解决方案，以满足不同工 艺流程的需求。
THANKS感谢观看应用领域工业气体分离
用于分离空气、氮气、氧气等工业气体，提 高产品质量和纯度。
氢气回收与纯化
用于从各种原料气体中回收和纯化氢气，满 足氢能产业的需求。
有机蒸气回收
用于从有机废气中回收有价值组分，实现资 源化利用和环保减排。
天然气处理
用于脱除天然气中的二氧化碳、硫化物等杂 质，提高天然气的品质。
发展历程与趋势
根据膜材料的分类
01
02
03
高分子膜
利用高分子材料的透过性 和选择性，制备成气体分 离膜。
无机膜
利用无机材料的稳定性、 耐高温性和高透过性，制 备成气体分离膜。
复合膜
将高分子材料和无机材料 复合，制备成具有优异性 能的气体分离膜。
根据应用领域的分类
工业气体分离
用于工业生产过程中产生 的各种气体混合物的分离 ，如氢气、氮气、氧气等 。
拓展气体膜分离技术在氢气、二氧化碳、 甲烷等气体分离领域的应用，推动其在环 保、能源和化工等领域的发展。
9第九章气体分离膜
第九章气体膜分离一、概述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•1831年Mitchell研究了天然橡胶的透气性，发现了不同种类气体分子透过橡胶膜的速率不同的现象，首先提出了用膜实现气体分离的可能性。
•1866年Craham研究了橡胶膜对气体的渗透性能，并提出了现在广为人知的溶解—扩散机理。
•1950年Weller等用乙基纤维素平板膜进行空气分离，得到氧浓度为32%~36%的富氧空气。
•1954年Bubaker等发现硅橡胶膜对气体的渗透速率比乙基纤维素大500倍，具有优越的渗透性。
1965年S.A.Stern等为从天然气中分离出氦。
Pont公司首创了中空纤维膜及其Du Pont•同年美国Du分离装置并申请了从混合气体中分离氢气、氦气的专利。
Prism””气•1979年美国的Monsanto公司研制出“PrismPrism””装置采用聚砜-硅橡胶体膜分离裝置，“Prism复合膜，以聚砜非对称膜中空纤维作为底膜，在其中空纤维外表面真空涂覆一层致密的硅橡Prism””气体膜分离裝置自1980年商业胶膜。
“Prism应用以来，至今已有上百套装置在运行，用于合成氨弛放气中氢回收和石油炼厂气中氢回收气体分离膜的主要性能指标溶解度系数S：表征聚合物膜对气体的溶解能力.扩散系数D：表征由于分子链的热运动，气体分子在膜 中的传递能力。
渗透系数P=S.D用渗透仪可以测定S、D、P分离系数aij表征膜对不同气体分离能力的大小。
a ij= Pi / Pj膜材料 分离系数 a ijP He /PN2PO2/ PN2PCO2/ PN2聚二甲基硅氧烷 1.19 1.94 6.19乙基纤维素 12.0 3.31 25.6聚乙烯(低密度) 5.08 2.98 13.0聚苯乙烯 53.0 6.38 31.7聚碳酸酯 633 4.7 26.7聚氯乙烯 191 3.83 13.0醋酸纤维素 97.1 3.0 -聚丙烯腈 488 2.0 13.3二、气体分离膜的应用• 1.1. 从合成氨尾气中回收氢氢的回收率为95%--98.5% 可使合成氨产量增加5% 。
气体膜分离
气体膜分离概述气体膜分离是一种常用的分离技术，用于分离混合气体中的不同组分。
该技术基于气体分子在薄膜上的渗透性差异来实现分离。
气体膜分离广泛应用于气体纯化、气体分离、气体浓缩等领域，具有高效、低成本、易操作等优点。
原理气体膜分离的原理是基于不同气体分子在膜材料上的渗透性差异。
膜材料常用的有聚合物膜、无机材料膜等。
当混合气体与膜接触时，其中的不同组分气体会因为渗透速率的不同而在膜的两侧产生浓度差。
这样，通过调整操作条件，如压力、温度等，就可以实现对不同组分气体的分离。
膜材料聚合物膜聚合物膜是气体膜分离中常用的一种膜材料。
聚合物膜可以通过改变聚合物的化学结构和物理性质来实现对不同气体的选择性吸附和渗透。
常用的聚合物膜材料包括聚丙烯、聚氨酯、聚醚酯等。
这些材料具有良好的膜形态稳定性和气体分离性能。
无机材料膜除了聚合物膜，无机材料膜也被广泛应用于气体膜分离。
无机材料膜通常具有更好的化学和热稳定性，适用于处理高温、高压气体。
常见的无机材料膜包括硅膜、石墨烯膜、陶瓷膜等。
这些材料具有良好的气体分离性能和长寿命。
操作条件气体膜分离的操作条件对分离效果有重要影响。
压力压力是气体膜分离中重要的操作参数。
增加进料气体的压力可以增加分离效果，因为压力差会促进气体分子渗透膜的速率。
温度温度对气体分子的扩散速率有重要影响。
一般来说，提高温度可以促进气体分子在膜上的扩散和渗透，从而增强分离效果。
但是，过高的温度可能导致膜材料的性能衰减。
膜面积膜面积也对气体膜分离的效果有影响。
增加膜面积可以增加分离效率和处理能力。
可以通过增加膜片数量或增大膜的尺寸来增加膜面积。
应用领域气体膜分离技术具有广泛的应用领域。
气体纯化气体膜分离可以用于气体纯化过程，将混合气体中的杂质气体分离出来，得到纯净的气体。
例如，将混合气体中的二氧化碳分离出来，可以得到高纯度的氮气。
这在工业和实验室中都有广泛应用。
气体分离气体分离是气体膜分离的主要应用之一。
通过调整操作条件和膜材料的选择，可以实现对不同气体组分的分离。
气体膜分离
(2)、无机材料 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;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。
④ 温度 温度对气体在高分子膜中的溶解度与扩散系数均 有影响,一般说来温度升高,溶解度减小,而扩散系数增大。但比 较而言,温度对扩散系数的影响更大,所以,渗透 通量随温度的升 高而增大。
3、气体膜分离流程及设备
气体膜分离流程可分为单级的、多级的。当过程的分 离系数不高，原料气的浓度低或要求产品较纯时,单级膜分 离不能满足工艺要求,因此,采用多级膜分离,即将若干膜器串 联使用,组成级联。常用的气体膜分离级联有以下三种类型。
膜法进行气体的分离最早用于氢气的回收。典型的 例子是从合成氨弛放气中回收氢气。在合成氨生产过程 中每天将有大量氢气的高压段被混在弛放气中白白地烧 掉,如果不加以回收,将会造成很大的浪费。
(1)、简单级联 简单级联流程见下图,每一级的渗透气作 为下一级的进料气,每级分别排出渗余气，物料在级间无循 环，进料气量逐级下降，末级的渗透气是级联的产品。
(2)精馏级联 精馏级联的流程见下图,每一级的渗透 气作为下一级的进料气,将末级的渗透气作为级联的易渗 产品,其余各级的渗余气入前一级的进料气中,还将部分易 渗产品作为回流返回本级的进料气中,整个级联只有两种 产品。其优点是易渗产品的产量与纯度比简单级联有所 提高。
1、气体分离膜
常用的气体分离膜可分为多孔膜和致密膜两种,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。
气体分离膜
4.分子筛分 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
多孔膜分离机理
5.毛细管凝聚
在操作温度处于较低温度的情况下，当气体通过微孔 介质时，易冷凝组分达到毛细管冷凝压力时，孔道被 易冷凝组分的冷凝液体堵塞，从而阻止非冷凝组分渗 透，从而出现毛细管冷凝分离。
气体分离膜的应用 (2)、氮氧分离
空气中含氮79%,含氧21%。选用易于透过O2 膜,在透过侧得到富集的O2,其浓度为30%~40%; 另一侧得到富集的氮气,其浓度可达95%。膜法 富氮与深冷和变压吸附法相比具有成本低、操 作灵活、安全、设备轻便、体积小等优点。
气体分离膜的应用 (3)、脱除合成天然气中的CO2制备城市煤气 合成天然气(液化石油气或石脑油精制气体) 是城市煤气的主要来源之一。由于天然气 中的CO2的含量(摩尔分数)为18%~21%,如 此高的CO2浓度会降低合成天然气的热值和 燃烧速率。因此,需将合成天然气中的CO2 含量降至2.5%~3.0%。
空纤维膜外表面上涂敷致密的硅橡胶表层，从 而得到高渗透率、高选择性的复合膜，成功地 将之应用在合成氨弛放气中回收氢。成为气体 分离膜发展中的里程碑。至今已有百多套在运 行， 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。
气体分离膜
从20世纪80年代开始，中科院大连化物所 、长春应化所等单位，在研究气体分离膜 及其应用方面进行了积极有益的探索，并 取得了长足进展。1985年，中科院大连化 物所首次成功研制了聚砜中空纤维膜氮氢 分离器。
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非多孔膜的分离机理
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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:
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共混改性方法
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
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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 。
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
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。
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。
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。
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
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机理可分溶解~ 扩散和双吸收~双迁移机理等。
hyperbranched polyimide/hydroxy polyimideblend membranes. European Polymer Journal , 2012 (48) 1504–1512. Rong Wang,Chun Cao,Tai-Shung Chung. A critical review on diffusivity and the characterization of diffusivity of 6FDA–6FpDA polyimide membranes for gas separation. Journal of Membrane Science, 2002 (198) 259–271.
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 。