气体膜分离技术-77页PPT资料

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
陶瓷和微孔炭膜开拓出应 用市场。第一套离子传导 膜分离示范在工厂安装运 行（？）
2000
2010
2020
第 一 套 C 3＝ /C 3o分 离装置安装运行
使用膜分离轻质烃混 合气成为炼油、裂化 、石化装置中的通用
方法。市场前景＞5
C
H
渗
4
透
速
率
：
10G PU
千
万
美
元
/年
载体促进传递膜 分离仍处在实验 室研究阶段
功能膜分类
物质分离 控制释放 膜反应器 能量转换
微滤
治疗设备
超滤
常效药物
反渗透 缓释农药
气体分离 人工器官
渗透汽化
电渗析
透析
酶反应器 催化反应器 生物转感器 移植物免疫 隔离
电池隔膜 燃料电池隔膜 电解池隔膜 固体电解质
膜—membrane
分离膜孔径与膜分类
可用于分离的性质
工业化膜分离过程及原理
Asahi Chemical
Ionics Inc.
Ionics Inc. Tokuyama Soda
Asahi Glass
Havens ndustry FilmTech/dow、Hydronautics/Nitto
General Atomic Torray, Du Pont
Enka(AKZO) Enka(AKZO)、Gambro
气 体 膜 分 离 发 展 预 测 （ 德 国 ， GKSS公 司 , 2001）
空气富氧极具市场前
景 ， 市 场 前 景 >1千 万
美 元 /年 。
O
2/N
选
2
择
性
：
5
渗 透 速 率 ： 200G PU
透氢膜可靠性问题得到解决 。众多炼油装置使用膜回收 尾气和吹扫气中的氢气。市 场 前 景 >5千 万 美 元 /年
过程 微滤 (MF) Microfiltration 超滤(UF) Ultrafiltration 反渗透(RO) ReverseOsmosis 透析(D) Dialysis 电渗析(ED) Electrodialysis 气体分离(GS) Gas Separation 渗透汽化(PV) Pervaporation
膜分离过程示意图
提纲
➢ 膜分离过程特点、历史及发展趋势 ➢膜传递机理、材料及膜组件 ➢分离膜制备及成膜机理 ➢膜分离应用
膜分离过程特点、历史及发展趋势
分离膜定义
分离膜为两相之间的选择性介质。膜必须 具有使不同物质有的可以通过、有的不能通过 的特性。
膜可以是固相、液相或气相。常用的分离 膜绝大多数是固相膜。
聚砜类
高机械强度工程塑料。耐酸、耐碱。缺点是耐有机溶剂 差。超滤和微滤膜材料，且是多种商品复合膜（反渗透膜、 气体分离膜）的支撑层膜材料
聚酰亚胺
刚性主链结构，柔性侧基， 高分子链间自由体积大，自由体 积分布窄。 耐高温、高强度， 用于气体分离和空除湿
聚合物材料的结构和组成决定了气体组
分在材料中的扩散性能和溶解性能
膜的选择性 膜的化学与热稳定性 膜的渗透通量 通量的稳定性 应用技巧
膜过程的发展
膜过程 年代
厂商
当代主要厂商
微滤 1936 电渗 1960 反渗透 1965 透析 1965 超滤 1970 控制释放 1975 气体分离 1980 渗透汽化 1990
Sartorius
MilliporeCorp.、Pall Corp.
JCO2＝2.32×10-5 cm3(STP)/cm2.s.cmHg
αCO2/N2 ＝ 51 αCO2/CH4 ＝ 22 αCO2/H2 ＝ 8.75
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
C
O
2/C
H
混
4
合
气
选
择
性
：
40
改 进 的 H 2S、 C O 2/ C H 4分 离 膜 使 得 膜 分 离 成 为 脱 除 天 然 气
中酸性气体的低成本方法。
膜传递机理、材料及膜组件
气体透过多孔膜的渗透机理
分子筛分
努森流
Knudsen 扩散
粘性流
表面扩散
气体透过膜的渗透机理（溶解—扩散）
A
B
分离膜
气体渗透膜的相对速率
1000
100
H2 CO2
10
O2Biblioteka Baidu
1
N2 = 1
聚酰亚胺膜
1000
SO2
100
CO2
10
H2 O2
1
N2 = 1
纤维素膜
α(CO2/CH4)=37， α(CO2/H2)= 20。
聚合物膜材料
纤维素衍生物
纤维素是资源丰富的天然高分子,价格便宜，用作透析膜 和微滤膜材料。在分解前没有熔点，又不溶于一般的溶剂。 一般都先进行化学改性，如醋酸纤维素和硝酸纤维素
溶解—扩散模型
CO2膜材料开发思路 P (渗透 ) 系 S （ 数 溶解 度 D （ 系 扩 数 散 ） 系
气体的临界温 度和在聚合物 中的溶解度有 关
气体分子的 大小有关
SA/SB新型膜材 料主要靠增大 溶解选择性
DA/DB传统膜材 料主要靠扩散选 择性
选择及合成刚性、不 可以旋转，但可以扭 动的主链，且链间距 不能太大的聚合物材 料
目前国内外对CO2膜分离材料进行增大溶解度的改造
含有碱性 基团的材
料
含有和CO2溶解 度参数相近的
官能团的材料
含有胺基的 材料
聚氧乙烯类
路线1 路线2
JCO2＝0.5×10-5 cm3(STP)/cm2.s.cmHg
αCO2/N2 ＝ 45~47 αCO2/CH4 ＝ 22~23 αCO2/H2 ＝ 8~12
主要功能 滤除>100nm 的颗粒
滤除 5-100nm 的颗粒
水中-溶盐的 脱除
水中溶盐的 脱除
水中溶盐的 脱除
混合气体的 分离
水-有机物的 分离
推动力 压力差 ~0.1MPa 压力差 0.1~1MPa 压力差 2~10MPa 浓度差
电位差
压力差 0.1~10MPa 压力差
分离机理 筛分 筛分 溶解扩散 溶解扩散 离子选择 溶解扩散 溶解扩散