第八章氣體分離膜

1、第八章氣體分離膜第八章氣體分離膜 第一節(jié)概述第一節(jié)概述 1831年，天然橡膠膜具有透氣性，發(fā)現(xiàn)年，天然橡膠膜具有透氣性，發(fā)現(xiàn)H2和和CO2透過膜透過膜 的速率不同的速率不同 1950年，乙基年，乙基CA膜可進行空氣分離，得到富氧空氣膜可進行空氣分離，得到富氧空氣 1965年，含氟高分子膜可分離出氦氣，同年美國年，含氟高分子膜可分離出氦氣，同年美國Du Po nt公司首創(chuàng)中空纖維膜及其裝置分離氫氣、氦氣，并申公司首創(chuàng)中空纖維膜及其裝置分離氫氣、氦氣，并申 請專利請專利 1979年，美國年，美國Monsanto公司，研制出公司，研制出“Prism”氣體膜氣體膜 （聚砜（聚砜-硅橡膠復合膜）分離裝置

2、，商業(yè)化后廣泛回收硅橡膠復合膜）分離裝置，商業(yè)化后廣泛回收 合成氨以及石油煉廠中氫氣的回收合成氨以及石油煉廠中氫氣的回收 耗能低、操作簡單、裝置緊湊等優(yōu)點，耗能低、操作簡單、裝置緊湊等優(yōu)點，O2、N2等富集等富集 膜相繼開發(fā)使用膜相繼開發(fā)使用 第二節(jié)第二節(jié) 氣體膜分離機理氣體膜分離機理 氣體分離膜有兩種類型：氣體分離膜有兩種類型：非多孔均質(zhì)膜非多孔均質(zhì)膜和和多孔膜多孔膜 一、一、非多孔均質(zhì)膜非多孔均質(zhì)膜的溶解的溶解-擴散機理擴散機理 該理論認為，氣體選擇性透過非多孔均質(zhì)膜分該理論認為，氣體選擇性透過非多孔均質(zhì)膜分 四步四步進行：氣體與膜進行：氣體與膜接觸接觸，分子，分子溶解溶解在膜中，溶解在膜

3、中，溶解 的分子由于濃度梯度進行活性的分子由于濃度梯度進行活性擴散擴散，分子在膜的另，分子在膜的另 一側(cè)一側(cè)逸出逸出。 二、二、多孔膜多孔膜的透過擴散機理的透過擴散機理 用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體流過膜中用多孔膜分離混合氣體，是借助于各種氣體流過膜中 細孔時產(chǎn)生的細孔時產(chǎn)生的速度差速度差來進行的。其傳遞機理有分子擴散、來進行的。其傳遞機理有分子擴散、 表面擴散、毛細管冷凝、分子篩分等。表面擴散、毛細管冷凝、分子篩分等。 氣體分離膜過程是以氣體分離膜過程是以壓力差為驅(qū)動力壓力差為驅(qū)動力的分離過程，在膜兩的分離過程，在膜兩 側(cè)混合氣體各組分分壓差驅(qū)動下，不同氣體分子透過膜的側(cè)混合氣體各

4、組分分壓差驅(qū)動下，不同氣體分子透過膜的 速率不同速率不同，滲透速率快的在滲透側(cè)富集，慢的在原料側(cè)富，滲透速率快的在滲透側(cè)富集，慢的在原料側(cè)富 集集滲透速率差使氣體在膜兩側(cè)富集滲透速率差使氣體在膜兩側(cè)富集 氣體分離膜氣體分離膜 第二節(jié)氣體分離膜材料第二節(jié)氣體分離膜材料 一、高分子膜一、高分子膜 橡膠高分子橡膠高分子 具有高滲透系數(shù)，分離系數(shù)低；具有高滲透系數(shù)，分離系數(shù)低； 玻璃態(tài)高分子玻璃態(tài)高分子 具有低滲透系數(shù)，分離系數(shù)高。具有低滲透系數(shù)，分離系數(shù)高。 橡膠、橡膠、CA、PC；聚酰亞胺、含硅化合物、聚苯胺；聚酰亞胺、含硅化合物、聚苯胺 二、無機膜二、無機膜 金屬及其合金膜、陶瓷膜、分子篩膜等金

5、屬及其合金膜、陶瓷膜、分子篩膜等 三、有機三、有機-無機復合材料無機復合材料 分子篩填充聚合物膜、聚合物裂解膜分子篩填充聚合物膜、聚合物裂解膜 無機材料無機材料有機高分子材料有機高分子材料 多孔質(zhì)多孔質(zhì)多孔質(zhì)玻璃、燒多孔質(zhì)玻璃、燒 結(jié)體（陶瓷、金結(jié)體（陶瓷、金 屬）屬） 微孔聚乙烯，多微孔聚乙烯，多 孔乙酸纖維孔乙酸纖維 非多孔質(zhì)（均質(zhì)）非多孔質(zhì)（均質(zhì)）離子導電性固體離子導電性固體 （ZrO2），（），（ - 氧化鋁氧化鋁）鈀合金）鈀合金 均質(zhì)乙酸纖維，均質(zhì)乙酸纖維， 合成高分子（硅合成高分子（硅 氧烷橡膠，聚碳氧烷橡膠，聚碳 酸酯等）酸酯等） 表表9-1 選擇性氣體分離膜材料選擇性氣體分離膜

6、材料 第三節(jié)氣體分離膜的制備第三節(jié)氣體分離膜的制備 （1）影響氣體分離膜性能的因素）影響氣體分離膜性能的因素 1）化學結(jié)構的影響）化學結(jié)構的影響 2）形態(tài)結(jié)構的影響）形態(tài)結(jié)構的影響 根據(jù)不同的分離對象，采用適合的材料、合適的方法制備根據(jù)不同的分離對象，采用適合的材料、合適的方法制備 （2）制備氣體分離膜的主要方法）制備氣體分離膜的主要方法 燒結(jié)法、溶膠燒結(jié)法、溶膠-凝膠法、拉伸法、熔融法、蝕刻法、包覆凝膠法、拉伸法、熔融法、蝕刻法、包覆 法、相轉(zhuǎn)移法和水上展開法法、相轉(zhuǎn)移法和水上展開法 第四節(jié)氣體分離膜組件第四節(jié)氣體分離膜組件 一、膜組件一、膜組件 平板式平板式 中空纖維式中空纖維式 卷式卷式

7、 二、氣體膜分離系統(tǒng)及工藝流程二、氣體膜分離系統(tǒng)及工藝流程 分離效率分離效率由膜滲透系數(shù)、分離系數(shù)及操作條件確定由膜滲透系數(shù)、分離系數(shù)及操作條件確定 高壓氣源時，氣體分離效率高高壓氣源時，氣體分離效率高 低壓氣源時，采用圖低壓氣源時，采用圖a可獲得較大的滲透流量，圖可獲得較大的滲透流量，圖b能能 耗低。耗低。 工藝流程：循環(huán)氣流工藝流程：循環(huán)氣流 多級串聯(lián)滲透流程多級串聯(lián)滲透流程 第五節(jié)氣體分離膜的應用第五節(jié)氣體分離膜的應用 一、一、H2的分離的分離 美國美國Monsanto公司公司1979年首創(chuàng)年首創(chuàng)Prism中空纖維復合氣中空纖維復合氣 體分離膜，主要用于氫氣的分離。其材料主要有體分離膜，

8、主要用于氫氣的分離。其材料主要有醋酸纖醋酸纖 維素、聚砜、聚酰亞胺維素、聚砜、聚酰亞胺等。其中等。其中聚酰亞胺聚酰亞胺是近年來新開是近年來新開 發(fā)的高效氫氣分離膜材料。它是由二聯(lián)苯四羧酸二酐和發(fā)的高效氫氣分離膜材料。它是由二聯(lián)苯四羧酸二酐和 芳香族二胺聚合而成的，具有抗化學腐蝕、耐高溫和機芳香族二胺聚合而成的，具有抗化學腐蝕、耐高溫和機 械性能高等優(yōu)點。械性能高等優(yōu)點。 合成氨廠施放氣和其他石油化工含氫混合氣中合成氨廠施放氣和其他石油化工含氫混合氣中 分離和回收氫分離和回收氫 從煉油廠烴類加工過程弛放氣體中分離和回收氫從煉油廠烴類加工過程弛放氣體中分離和回收氫 二、膜法富氧二、膜法富氧 制備富

9、氧膜的材料主要兩類：聚二甲基硅氧烷（制備富氧膜的材料主要兩類：聚二甲基硅氧烷（PDMS） 及其改性產(chǎn)品和含三甲基硅烷基的高分子材料。及其改性產(chǎn)品和含三甲基硅烷基的高分子材料。 PDMS是目前工業(yè)化應用的氣體分離膜中最高的膜材是目前工業(yè)化應用的氣體分離膜中最高的膜材 料，美中不足的是它有兩大缺點：一是分離的選擇性低，料，美中不足的是它有兩大缺點：一是分離的選擇性低， 二是難以制備超薄膜。二是難以制備超薄膜。 三、膜法富氮三、膜法富氮 四、天然氣脫四、天然氣脫CO2、H2S和和H2O 五、易揮發(fā)有機化合物（五、易揮發(fā)有機化合物（VOC）的回收）的回收 六、水果保鮮系統(tǒng)六、水果保鮮系統(tǒng) 一般說來，水果在收獲后，仍會繼續(xù)呼吸作用，果品將逐一般說來，水果在收獲后，仍會繼續(xù)呼吸作用，果品將逐 漸劣化以至腐爛，為抑制果品的呼吸，可適當降低其保藏漸劣化以至腐爛，為抑制果品的呼吸，可適當降低其保藏 容器中的氧氣濃度，增加二氧化碳濃度。目前廣泛采用由容器中的氧氣濃度，增加二氧化碳濃度。目前廣泛采用由 硅氧烷膜硅氧烷膜使氧氣與二氧化碳等進行交換分離的方法。使氧氣與二氧化碳等進行交換分離的方法。 外界氣氛外界氣氛 % O2 21 CO2 0 N2 79