氣體分離膜

時間：2023-03-24 05:28:58來源：food欄目：食品快速檢測閱讀：

氣體分離膜

[db:作者] / 2023-02-08 00:00

(1)氣體分離膜的原理

氣體膜分離過程就是在壓力驅動下，把要分離的氣體通過膜的選擇滲透作用使其分離的過程(見圖10-29)。一般來說，所有的高分子膜對一切氣體都是可滲透的，只不過不同氣體滲透速度各不相同(見圖10-30)。人們正是借助它們之間在滲透速率上的差異，來實現對某種氣體的濃縮和富集。

圖10-29 氣體膜分離過程示意

圖10-30 氣體透過膜的相對滲透速率

通常人們把滲透較快的氣體叫“快氣”，因為它是優先透過膜并得到富集的滲透氣，而把滲透較慢的氣體叫“慢氣”，因它較多地滯留在原料氣側而成為滲余氣。“快氣”和“慢氣”不是絕對的，而是針對不同的氣體組成而言的，如對O2和H2體系來說，H2是“快氣”，O2是“慢氣”；而對O2和N2體系來說，O2是“快氣”，N2是“慢氣”；因為O2比N2滲透得快；因此，這主要由其所在體系中的相對滲透速率來決定。

氣體透過膜是一種比較復雜的過程。一般來說，使用的材質不同，其分離的機理也不相同，如當氣體透過多孔膜時，有可能出現分子流、黏性流、表面擴散流、毛細管凝聚和分子篩篩分等現象(見圖10-31)。不過當氣體透過非多孔膜時，如透過橡膠態聚合物或玻璃態聚合物時，比較一致的說法為溶解擴散機理，即氣體分子首先被吸附并溶解于膜的高壓側表面，然后借助濃度梯度在膜中擴散，最后從膜的低壓側解吸出來(見圖10-32)。氣體的溶解擴散是在膜上沒有連續通道的情況下，靠聚合物母體上鏈段的熱撓動產生瞬變滲透通道進行的，從膜的上表面擴散到下表面。

圖10-31 多孔質膜和非多孔質膜的氣體分離機理示意

圖10-32 高分子均質膜的分離機制

因此，人們可以通過改變聚合物的化學性質，來調節自由產生的通道大小和分布，以延緩一種組分的運動，而讓另一種組分更多地通過，從而實現分離的目的。這就是所說的流動選擇性機理。但是，研究發現流動選擇性機理不是決定膜選擇性的惟一因素，決定膜選擇性的另一個因素是溶解選擇性，也就是說氣體分子在膜內的溶解擴散不僅受瞬變的流動通道制約，而且還受到它們在無孔聚合物或在超微孔網狀物中的相關吸附性影響。通常把兩種氣體的相關溶解度的大小用相應沸點來表示，例如，氦和氮的正常沸點分別為4K和77K，這表明氦不容易濃縮，而且和氫相比，它在高聚物和超微孔介質中的吸附也比較低。膜材料和氣體之間相互作用是很微妙的，而且在許多情況下可以忽略不計。此外，當純氣體在玻璃態聚合物中溶解時，將會出現兩種吸附現象。

從圖10-31和圖10-32中可以看出，氣體在多孔膜中的分離機理主要受孔徑大小的制約，而在非多孔膜中的滲透通過則按溶解一擴散機理和雙吸收雙遷移機理進行。

①氣體在多孔膜中的滲透視理從圖10-33中可以看出，當氣體通過多孔膜時，其分離性能與氣體的種類及膜孔徑的大小有關。如膜孔大到足以發生對流，分理就不可能發生。

如果膜孔尺寸比氣體分子的平均自由程小，則對流被分子流(Knudsen擴散)所代替。在這種情況下，氣體分子與孔壁的相互作用比起氣體分子之間的相互作用更為頻繁。另外，低分子量的氣體比高分子量的氣體擴散得快，因而發生分離。在零滲透壓力下，兩組分遷移速率之差與它們分子量比的平方根成反比。

圖10-33 膜法氣體分離機理

從上面的介紹可以看出，當氣體透過多孔膜時，其傳遞機理可分為分子流、黏性流、表面擴散流、分子篩篩分機理、毛細管凝聚機理等。

②氣體在非多孔膜中的滲透視理對于非多孔膜材料主要有橡膠態聚合物和玻璃態聚合物。氣體在非多孔膜中的擴散是以濃度梯度為推動力，可以用Fick定理來描述；氣體在非多孔膜中的透過機理比較公認的是溶解一擴散機理。不過，氣體在玻璃態聚合物中溶解時，存在兩種吸附現象：一種是來自玻璃態聚合物本身的溶解環境；另一種則是來自它的微腔中，所以需要用雙吸附一雙遷移機理來描述。

③氣體在復合膜中的滲透復合膜是非多孔膜的一種，其結構為非對稱型，其滲透機理應符合非多孔膜的機理，所不同的是復合膜中各組成部分所起的作用不同。目前用于氣體分離的復合膜主要有三種類型；第一類為支撐型多孔底膜；第二類為阻力型復合膜；第三類為多層復合型(見圖10-34)，現簡介如下。

圖10-34氣體分離用復合膜示意

支撐型多孔底膜：這一類膜主要由兩部分組成，其底膜為多孔支撐層，上面涂敷一層選擇性和滲透性都較好的聚合物涂層。底膜起到機械支撐作用，膜分離性能主要由涂層決定。

成膜方法主要有薄層疊合、溶液澆鑄、界面聚合和等離子體聚合等。

阻力型復合膜：阻力型復合膜為完整表皮非對稱膜，由非對稱底膜和涂層兩部分組成。所不同的是底膜為非對稱結構，由致密層和多孔支撐層兩部分組成，在膜的制備過程中，由于在致密層表面會存在少量缺陷孔，這會影響膜的分離性能，所以要用涂層涂布。涂層是高滲透量，低選擇性的聚合物材料，常用的是硅橡膠，以彌補致密層表面的缺陷孔。不過，起分離作用的主要是由致密層決定的。

多層復合型：這類膜可看作是第一-類和第二類復合膜的改進。這是由兩層以上的聚合物膜復合而成。其結構有的類似第一類，即分離層/過渡層(見圖10-34)。有的類似第二類，即密封層/分離層/支撐層(見圖10-34)。其中過渡層和密封層都起到減少選擇層缺陷或使選擇層與支撐層粘接更好的作用。

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