气体膜分离技术经典课件.pptx

高等分离工程气体膜分离膜生物反应器2023/8/25 气体膜分离1254 简介 原理 膜材料 设备3 应用2023/8/25 简介气体膜分离技术是利用原料混合气中不同气体对膜材料具有不同渗透率, 以膜两侧气体的压力差为推动力, 在渗透侧得到渗透率大的气体富集的物料, 在未渗透侧得到不易渗透气体富集的分离气, 从而达到气体分离目的。2023/8/25 一般来说, 所有的高分子膜对一切气体都是可渗透的, 只不过不同气体渗透速度各不相同.人们正是借助它们之间在渗透速率上的差异, 来实现对某种气体的浓缩和富集。通常人们把渗透较快的气体叫“快气”, 因为它是优先透过膜并得到富集的渗透气, 而把渗透较慢的气体叫“慢气”, 因为较多地滞留在原料气侧而成为渗余气。“快气” 和“慢气” 不是绝对的, 而是针对不同的气体组成而言的, 如对O2和H2体系来说, H2是“快气”,O2是“慢气”;而对O2和N2体系来说,O2则变为“快气”,因为O2比N2透过得快.因此, 这主要由其所在体系中的相对渗透速率来决定。2023/8/25 1831年，英国人J. V. Mitchell系统地研究了天然橡胶的透气性，首先揭示了膜实现气体分离的可能性。1954年，P. Mears进一步研究了玻璃态聚合物的透气性，拓宽了膜材料的选择范围；1965年，S. A. Sterm等人为从天然气中分离出氦进行了含氟高分子膜的试验，但发现膜的通量小，气体分离膜尚无法在工业中大规模应用；1979年，美国Monsanto（孟山都公司）研制出“Prism”气体分离膜装置，Monsanto公司也因此成为世界上第一个大规模的气体分离膜专业公司。发展历史2023/8/25 气体膜分离过程的关键是膜材料，目前用于气体分离的膜种类繁多, 根据结构的差异将其分为2类:多孔膜和高分子致密膜(也称非多孔膜)，它们可由无机膜材料和高分子膜材料组成。膜材料的类型与结构对气体渗透有着显著影响。例如,氧在硅橡胶中的渗透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍。气体分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性。2023/8/25 膜材料要求高透气性、良好的透气选择性高的机械强度优良的热和化学稳定性良好的成膜加工性能2023/8/25 按材料的性质区分,气体分离膜材料主要有高分子材料、无机材料和高分子-无机复合材料三大类。目前气体分离用膜材料主要有高分子聚合物膜材料和无机膜材料两大类。高分子膜因具有制造成本低、结构可控性强、成膜性好等优点而被广泛应用于气体分离膜的制备① 高分子材料 高分子材料分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 玻璃态聚合物与橡胶态聚合物相比选择性较好,其原因是玻璃态的链迁移性比后者低得多。玻璃态膜材料的主要缺点是它的渗透性较低,橡胶态膜材料的普遍缺点是它在高压差下容易膨胀变形。目前,研究者们一直致力于研制开发具有高透气性和透气选择性、耐高温、耐化学介质的气体分离膜材 料,并取得了一定的进展。2023/8/25 高分子有机膜做成的气体膜, 一般是复合膜, 分三层结构, 由不同材料制成的, 如图所示底面是无纺布支撑层; 中间是多孔膜支撑层, 它具有不对称结构, 要求对气体渗透没有阻力; 最上层为致密膜。常规高分子膜大多存在渗透性和选择性相互制约的Trade-off 现象，即Ｒobeson 上限。为了保证较高的气体选择性，目前工业上使用的高分子气体分离膜普遍存在渗透性偏低的难题2023/8/25 ②无机材料无机膜属固态膜的一种, 是由无机材料、无机高分子材料制成的半透膜, 根据其组成不同, 它包括Al2O3 、ZrO2 、TiO2 、SiO2 、C 、SiC 及其复合膜;此外, 硅酸盐材料及沸石材料也备受重视。 无机膜的主要优点有：物理、化学和机械稳定性好,耐有机溶剂、氯化物和强酸、强碱溶液,并且不被微生物降解,孔径分布窄;操作简单、迅速、便宜。受目前工艺水平的限制,无机膜的缺点为：制造成本相对较高,大约是相同膜面积高分子膜的10倍;质地脆,需要特殊的形状和支撑系统;制造大面积稳定的且具有良好性能的膜比较困难;膜组件的安装、密封(尤其是在高温下)比较困难;表面活性较高。由于陶瓷膜的这些特点, 目前它主要用于一些高分子膜所无法应用的一些领域, 如高温、高压、强腐蚀性环境中,所以采用无机膜进行高温气体净化更具实用性, 如ceramen公司设计了一种新型膜过滤器, 对气体的除尘率达 99 .99 %以上。2023/8/25 ③高分子-无机复合或杂化材料 采用高分子-陶瓷复合膜,以耐高温高分子材料为分离层,陶瓷膜为支撑层,既发挥了高分子膜高选择性的优势,又解决了支撑层膜材料耐高温、抗腐蚀的问题,为实