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1、第八章气体分离膜第八章气体分离膜第一节概述第一节概述1831年，天然橡胶膜具有透气性，发现年，天然橡胶膜具有透气性，发现H2和和CO2透过膜透过膜的速率不同的速率不同1950年，乙基年，乙基CA膜可进行空气分离，得到富氧空气膜可进行空气分离，得到富氧空气1965年，含氟高分子膜可分离出氦气，同年美国年，含氟高分子膜可分离出氦气，同年美国Du Pont公司首创中空纤维膜及其装置分离氢气、氦气，并公司首创中空纤维膜及其装置分离氢气、氦气，并申请专利申请专利1979年，美国年，美国Monsanto公司，研制出公司，研制出“Prism”气体膜气体膜（聚砜（聚砜-硅橡胶复合膜）分离装置，商业化后广泛回收
2、硅橡胶复合膜）分离装置，商业化后广泛回收合成氨以及石油炼厂中氢气的回收合成氨以及石油炼厂中氢气的回收耗能低、操作简单、装置紧凑等优点，耗能低、操作简单、装置紧凑等优点，O2、N2等富集等富集膜相继开发使用膜相继开发使用第二节第二节 气体膜分离机理气体膜分离机理气体分离膜有两种类型：气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜非多孔均质膜和和多孔膜多孔膜一、一、非多孔均质膜非多孔均质膜的溶解的溶解-扩散机理扩散机理 该理论认为，气体选择性透过非多孔均质膜分该理论认为，气体选择性透过非多孔均质膜分 四步四步进行：气体与膜进行：气体与膜接触接触，分子，分子溶解溶解在膜中，溶解在膜中，溶解 的分子由于浓度梯度进
3、行活性的分子由于浓度梯度进行活性扩散扩散，分子在膜的另，分子在膜的另 一侧一侧逸出逸出。二、二、多孔膜多孔膜的透过扩散机理的透过扩散机理 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细孔时产生的速度差速度差来进行的。其传递机理有分子扩散、来进行的。其传递机理有分子扩散、表面扩散、毛细管冷凝、分子筛分等。表面扩散、毛细管冷凝、分子筛分等。气体分离膜过程是以气体分离膜过程是以压力差为驱动力压力差为驱动力的分离过程，在膜两的分离过程，在膜两侧混合气体各组分分压差驱动下，不同气体分子透过膜的侧混合气体各组分分压差驱动下，不同气体分子透过膜的速
4、率不同速率不同，渗透速率快的在渗透侧富集，慢的在原料侧富，渗透速率快的在渗透侧富集，慢的在原料侧富集集渗透速率差使气体在膜两侧富集渗透速率差使气体在膜两侧富集气体分离膜气体分离膜第二节气体分离膜材料第二节气体分离膜材料一、高分子膜一、高分子膜橡胶高分子橡胶高分子具有高渗透系数，分离系数低；具有高渗透系数，分离系数低；玻璃态高分子玻璃态高分子具有低渗透系数，分离系数高。具有低渗透系数，分离系数高。橡胶、橡胶、CA、PC；聚酰亚胺、含硅化合物、聚苯胺；聚酰亚胺、含硅化合物、聚苯胺二、无机膜二、无机膜金属及其合金膜、陶瓷膜、分子筛膜等金属及其合金膜、陶瓷膜、分子筛膜等三、有机三、有机-无机复合材料无
5、机复合材料分子筛填充聚合物膜、聚合物裂解膜分子筛填充聚合物膜、聚合物裂解膜无机材料无机材料有机高分子材料有机高分子材料多孔质多孔质多孔质玻璃、烧多孔质玻璃、烧结体（陶瓷、金结体（陶瓷、金属）属）微孔聚乙烯，多微孔聚乙烯，多孔乙酸纤维孔乙酸纤维非多孔质（均质）非多孔质（均质）离子导电性固体离子导电性固体（ZrOZrO2 2），（），（-氧化铝氧化铝）钯合金）钯合金均质乙酸纤维，均质乙酸纤维，合成高分子（硅合成高分子（硅氧烷橡胶，聚碳氧烷橡胶，聚碳酸酯等）酸酯等）表表9-1 选择性气体分离膜材料选择性气体分离膜材料 第三节气体分离膜的制备第三节气体分离膜的制备（1）影响气体分离膜性能的因素）影响气
6、体分离膜性能的因素 1）化学结构的影响）化学结构的影响 2）形态结构的影响）形态结构的影响 根据不同的分离对象，采用适合的材料、合适的方法制备根据不同的分离对象，采用适合的材料、合适的方法制备（2）制备气体分离膜的主要方法）制备气体分离膜的主要方法 烧结法、溶胶烧结法、溶胶-凝胶法、拉伸法、熔融法、蚀刻法、包覆凝胶法、拉伸法、熔融法、蚀刻法、包覆法、相转移法和水上展开法法、相转移法和水上展开法第四节气体分离膜组件第四节气体分离膜组件一、膜组件一、膜组件平板式平板式中空纤维式中空纤维式卷式卷式二、气体膜分离系统及工艺流程二、气体膜分离系统及工艺流程分离效率分离效率由膜渗透系数、分离系数及操作条件
7、确定由膜渗透系数、分离系数及操作条件确定高压气源时，气体分离效率高高压气源时，气体分离效率高低压气源时，采用图低压气源时，采用图a a可获得较大的渗透流量，图可获得较大的渗透流量，图b b能能耗低。耗低。工艺流程：循环气流工艺流程：循环气流多级串联渗透流程多级串联渗透流程第五节气体分离膜的应用第五节气体分离膜的应用一、一、H2的分离的分离 美国美国Monsanto公司公司1979年首创年首创Prism中空纤维复合气中空纤维复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。其材料主要有体分离膜，主要用于氢气的分离。其材料主要有醋酸纤醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺维素、聚砜、聚酰亚胺等。其中等。其中聚酰亚胺聚酰亚胺
8、是近年来新开是近年来新开发的高效氢气分离膜材料。它是由二联苯四羧酸二酐和发的高效氢气分离膜材料。它是由二联苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有抗化学腐蚀、耐高温和机芳香族二胺聚合而成的，具有抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。械性能高等优点。合成氨厂施放气和其他石油化工含氢混合气中合成氨厂施放气和其他石油化工含氢混合气中分离和回收氢分离和回收氢从炼油厂烃类加工过程弛放气体中分离和回收氢从炼油厂烃类加工过程弛放气体中分离和回收氢二、膜法富氧二、膜法富氧 制备富氧膜的材料主要两类：聚二甲基硅氧烷（制备富氧膜的材料主要两类：聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其改性产品和含三甲基硅烷基的高分子材料。及
9、其改性产品和含三甲基硅烷基的高分子材料。PDMS是目前工业化应用的气体分离膜中最高的膜材料，是目前工业化应用的气体分离膜中最高的膜材料，美中不足的是它有两大缺点：一是分离的选择性低，二美中不足的是它有两大缺点：一是分离的选择性低，二是难以制备超薄膜。是难以制备超薄膜。三、膜法富氮三、膜法富氮四、天然气脱四、天然气脱COCO2 2、H H2 2S S和和H H2 2O O五、易挥发有机化合物（五、易挥发有机化合物（VOCVOC）的回收）的回收六、水果保鲜系统六、水果保鲜系统 一一般般说说来来，水水果果在在收收获获后后，仍仍会会继继续续呼呼吸吸作作用用，果果品品将将逐逐渐渐劣劣化化以以至至腐腐烂烂
10、，为为抑抑制制果果品品的的呼呼吸吸，可可适适当当降降低低其其保保藏藏容容器器中中的的氧氧气气浓浓度度，增增加加二二氧氧化化碳碳浓浓度度。目目前前广广泛泛采采用用由由硅氧烷膜硅氧烷膜使氧气与二氧化碳等进行交换分离的方法。使氧气与二氧化碳等进行交换分离的方法。外界气氛外界气氛%O2 21CO2 0N2 79仓库气氛仓库气氛%3O2 5CO2692 N2 硅氧烷膜硅氧烷膜本章习题本章习题非多孔和多孔气体分离膜的分离机理非多孔和多孔气体分离膜的分离机理气体分离膜分离混合气过程气体分离膜分离混合气过程橡胶和玻璃态高分子分离气体的特点橡胶和玻璃态高分子分离气体的特点气体分离膜的实际应用气体分离膜的实际应用