脫除與濃縮二氧化碳的膜分離技術（課堂PPT）

1、12自1979年美國Monsanto公司第一個將氣體膜分離裝置成功應用于從工業(yè)氣體中回收氫以來，氣體膜分離技術發(fā)展迅速，該技術目前已成功應用于N2H2、N2O2(富氧、富氮)等分離中近幾年來，在環(huán)保、工業(yè)生產(chǎn)、國防等方面的需求下，C02分離已逐漸引起許多膜分離工作者的興趣并在這方面做了大量工作。從工業(yè)廢氣(如發(fā)電廠燃料廢氣)中脫除C02和SO2，膜分離技術由于能耗最低、無廢渣、廢液等二次污染以及操作簡便等優(yōu)點很有可能取代傳統(tǒng)的氣體吸收或吸附。3在工業(yè)生產(chǎn)上，該技術可應用于從天然氣、沼氣中脫除C02，以提高天然氣、沼氣的燃值與等級，這是一個很有潛力的巨大市場。國防上，潛艇及空間站等密閉環(huán)境中C0

2、2的脫除也是一個相當重要的課題，膜技術相比于初始的堿金屬氧化物、過氧化物等非再生物質以及吸附、化學吸收等可再生方法具有明顯的優(yōu)越性，美國等發(fā)達國家已在積極研究用膜技術來脫除CO2的可行性。4(1)液膜技術(2)固體膜技術，包括多孔無機膜和具有特定基團的無孔聚合物膜；(3)膜分離與其它過程相結合的雜化膜過程，包括與電化學方法相結合的無機膜分離過程以及膜基氣體吸收。5支撐液膜由膜液和聚合物膜支撐體構成。膜液內含有載體，載體與C02反應使C02溶解于膜液中并形成“促進傳遞”形式的物質，在壓力差、濃度差等化學位差的推動下，C02與載體反應生成的物質便穿過膜，在膜的另一側將C02釋放出來。乳化液膜主要涉

3、及液體中有用物質的回收與濃縮以及有毒有害物質的脫除與濃縮，與氣體分離基本無關。6最早利用支撐液膜的促進傳遞進行C02O2分離的是W.J.Ward，載體采用HC03-O-。 7CO2與載體再摸中發(fā)生如右反應：其中(1)、(2)為慢速反應，反應(3)為瞬間反應，這樣的液膜促進傳遞可使C02O2的分離系數(shù)達1500當膜液中加入亞砷酸鈉后，反應(1)、(2)加快進行，增加了C02的滲透速率，而O2的滲透速率基本不變，這樣C02O2的分離系數(shù)就可達到4100，其中C02的滲透系數(shù)為21410-9cm3（STP)cm/(cm2scmHg)，O2的滲透系數(shù)為0.05210-9 cm3（STP)cm/(cm2

4、scmHg)，通過此膜可將載人航天器中的CO2脫除并富集。8A.M.Neplenbroek在研究支撐液膜分離液體組分時指出，由于橫向剪切力導致的乳液生成是液膜流失的一個重要原因。為此而在支撐膜微孔內形成均勻的凝膠網(wǎng)狀物，稱為凝膠支撐液膜，可以顯著增強液膜的機械穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性由于網(wǎng)狀物的敞式結構，滲透流量下降很小。另外，在料液側生成一層致密的凝膠層，可以明顯抑制乳液滴的生成，液膜穩(wěn)定性大大提高。支撐膜微孔內的網(wǎng)狀結構及表面致密的凝膠層可以有效防止液膜流失，而且可以大大提高支撐液膜的機械穩(wěn)定性、這在分離氣體諸如C02等時也很重要，是研究支撐液膜分離C02并將其實用化的一個重要研究方向。9K.O

5、kabe研究了分離C02用的水凝膠膜的穩(wěn)定性，將VAC(乙烯醇與丙烯酸鹽的共聚物)紡絲涂層到聚四氟乙烯微孔膜上，加熱使之形成交聯(lián)層交聯(lián)層吸收了K2C03水溶液后即為水凝膠膜C02的滲透速率為10-8mol(m2sPa)，在6個月內幾乎不下降，當進料氣中含10C02和90N2時，C02與N2的分離系數(shù)為100500。用支撐液膜分離氣體的缺點是氣體會被液膜物質所飽和，因此膜相液體一般不使用具有高蒸氣壓的物質此外，為了避免液膜在氣相中蒸發(fā)變于，與膜接觸的氣體必須預先增濕。10非對稱膜(表層與底層為同一種材料)復合膜(選擇性膜層與支撐層為不同的材料) 其分離機制是根據(jù)不同氣體在固體聚合物中的溶解、擴散

6、的差異而使得不同氣體通過聚合物膜的滲透速率不同?？捎糜跉怏w分離的聚合物種類很多，但目前研究較多且適合用于C02分離的膜材料主要有：聚酰亞胺類、醋酸纖維素。已商業(yè)化的用于C02分離的膜基本上都是非對稱膜(如UBE公司的聚酰亞胺膜)，其底層為多孔支撐結構，表層則為致密層。11膜基氣體吸收是膜技術與氣體吸收技術相結合的新型雜化膜分離過程。它采用中空基質膜作為支撐體，使氣體與吸收液的接觸面積顯著增大(約為6001 200 m2m3)，克服了氣液兩相直接接觸所帶來的夾帶現(xiàn)象，同時也解決了空間站失重狀態(tài)下氣液兩相分離困難的問題。A.B.Shelekhin等采用這種技術(吸收劑為單乙醇胺)對天然氣的實驗室處

7、理顯示了C02CH4的選擇性系數(shù)可高達3000，同時也顯示了這種技術是一種極具潛力的天然氣精制方法。12NASA對這種技術進行了初步鑒定，認為這種技術對從密閉的空間艙(模擬)內脫除C02是可行的，在N2、O2的濃度基本不變的情況下，處理30min后C02濃度降低到零，不僅達到了NASA的C02分壓不超過400 Pa(3 mmHg)的要求，而且證明了應用這種技術時C02對N2、O2具有很高的選擇性。13一般認為，二氧化碳濃度越高，聚合物膜法分離C02CH4就越比其它分離技術(如氣體吸收法、深冷法)經(jīng)濟。當要求處理后C02濃度低于1時(如空間站或潛艇中)，可采用具有高選擇性和高滲透性的分離技術，如液膜技術、膜基氣體吸收技術或吸收劑與C02專一反應的電化學無機膜氣體分離技術。液膜因其穩(wěn)定性差而未能實用化，但其相比于固體膜的顯著優(yōu)越性能(如選擇性高)已引起許多學者的注意。提高支撐液膜的穩(wěn)定性、降低液膜的有效厚度以提高其滲透速率是其實用化的必由之路。14利用無機膜比較窄的孔徑分布、耐高溫、高壓