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膜技术应用 其他膜应用介绍 膜分离技术 膜分离技术 Contents 气体分离膜 1. 气体分离膜的分离机理 （1）非多孔均质膜的溶解扩散机理 根据这一机理，研究结论如下： 1) 气体的透过量q与扩散系数D、溶解度系数S 和气体渗透系数成正比。而这些参数与膜材料的性 质直接有关。 2) 在稳态时，气体透过量q与膜面积A和时间t成 正比。 3) 气体透过量与膜的厚度l成反比。 （2）多孔膜的透过扩散机理 流体的流动用努森（Knudsen）系数Kn表示时， 有三种情况：Kn≤1 属粘性流动；Kn≥1 属分子流 动；Kn ≌1 属中间流动。 多孔膜分离混合气体主要发生在Kn≥1时，这 时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在细孔内壁 间反复碰撞，并呈独立飞行状态。 按气体方程可导出气体透过多孔性分离膜的分 离效率为： 此式说明，被分离物质的分子量相差越大，分 离选择性越好。 多孔膜对混合气体的分离主要决定于膜的结 构。 2. 制备气体分离膜的材料 （1）影响气体分离膜性能的因素 1）化学结构的影响 通过对不同化学结构聚合物所制备的气体分离 膜的气体透过率P、扩散系数D和溶解系数S的考 察，可得出化学结构对透气性影响的定性规律。从 下表的数据可知，大的侧基有利于提高自由体积 而使P增加。 表 某些聚合物材料的氧气透过率 2）形态结构的影响 一般情况下，聚合物中无定型区的密度小于晶 区的密度。因此气体透过高聚物膜主要经由无定形 区，而晶区则是不透气的； 聚合物分子链沿拉伸方向取向后，透气性和选 择性均有所下降； 高分子的交联对透气性影响的一般规律是随交 联度的增加，交联点间的尺寸变小，透气性有所下 降。但对尺寸小的分子，如氢气和氦气等，透气性 则下降不大。 （2）制备气体分离膜的主要材料 根据不同的分离对象，气体分离膜采用不同的材料制备。 1）H2的分离 美国Monsanto公司1979年首创Prism中空纤维 复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。其材料主 要有醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺等。其中聚酰亚 胺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。 2）O2的分离富集 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。 PDMS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，二是难以制备超薄膜。 此外，富氧膜大部分可作为CO2分离膜使用， 若在膜材料中引入亲CO2的基团，如醚键、苯环 等，可大大提高CO2的透过性。同样，若在膜材料 中引入亲SO2的亚砜基团（如二甲亚砜、环丁砜 等），则能够大大提高SO2分离膜的渗透性能和分 离性能。具有亲水基团的芳香族聚酰亚胺和磺化聚 苯醚等对H2O有较好的分离作用。 2. 气体分离膜的应用领域 气体分离膜是当前各国均极为重视开发的产品， 已有不少产品用于工业化生产。如美国Du Pont公司 用聚酯类中空纤维制成的H2气体分离膜，对组成为 70％H2，30％CH4，C2H6，C3H8的混合气体进行分 离，可获得含90％H2的分离效果。 此外，富氧膜、分离N2，CO2，SO2，H2S等气 体的膜，都已有工业化的应用。例如从天然气中分 离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分离N2或 CO2，从烟道气中分离SO2、从煤气中分离H2S或 CO2等等，均可采用气体分离膜来实现。 渗透蒸发 1. 渗透蒸发技术和渗透蒸发膜的特点 渗透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分离技术。渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。可用于传统分离手段较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离。具有一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。 渗透蒸发分离示意图(真空气化) 渗透蒸发分离示意图(惰性气体吹扫) 渗透蒸发操作所采用的膜为致密的高分子膜。 描述渗透蒸发过程的两个基本参数是渗透通量J （g/m2.h）和分离系数α。 α的定义为：