氣體分離膜

時(shí)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(qū)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(shí)現(xiàn)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?yàn)樗莾?yōu)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(cè)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?yàn)镺2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(fù)雜的過程。一般來說，使用的材質(zhì)不同，其分離的機(jī)理也不相同，如當(dāng)氣體透過多孔膜時(shí)，有可能出現(xiàn)分子流、黏性流、表面擴(kuò)散流、毛細(xì)管凝聚和分子篩篩分等現(xiàn)象(見圖10-31)。不過當(dāng)氣體透過非多孔膜時(shí)，如透過橡膠態(tài)聚合物或玻璃態(tài)聚合物時(shí)，比較一致的說法為溶解擴(kuò)散機(jī)理，即氣體分子首先被吸附并溶解于膜的高壓側(cè)表面，然后借助濃度梯度在膜中擴(kuò)散，最后從膜的低壓側(cè)解吸出來(見圖10-32)。氣體的溶解擴(kuò)散是在膜上沒有連續(xù)通道的情況下，靠聚合物母體上鏈段的熱撓動產(chǎn)生瞬變滲透通道進(jìn)行的，從膜的上表面擴(kuò)散到下表面。

圖10-31 多孔質(zhì)膜和非多孔質(zhì)膜的氣體分離機(jī)理示意

圖10-32 高分子均質(zhì)膜的分離機(jī)制

因此，人們可以通過改變聚合物的化學(xué)性質(zhì)，來調(diào)節(jié)自由產(chǎn)生的通道大小和分布，以延緩一種組分的運(yùn)動，而讓另一種組分更多地通過，從而實(shí)現(xiàn)分離的目的。這就是所說的流動選擇性機(jī)理。但是，研究發(fā)現(xiàn)流動選擇性機(jī)理不是決定膜選擇性的惟一因素，決定膜選擇性的另一個(gè)因素是溶解選擇性，也就是說氣體分子在膜內(nèi)的溶解擴(kuò)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(wǎng)狀物中的相關(guān)吸附性影響。通常把兩種氣體的相關(guān)溶解度的大小用相應(yīng)沸點(diǎn)來表示，例如，氦和氮的正常沸點(diǎn)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(zhì)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(jì)。此外，當(dāng)純氣體在玻璃態(tài)聚合物中溶解時(shí)，將會出現(xiàn)兩種吸附現(xiàn)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(jī)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(kuò)散機(jī)理和雙吸收雙遷移機(jī)理進(jìn)行。

①氣體在多孔膜中的滲透視理從圖10-33中可以看出，當(dāng)氣體通過多孔膜時(shí)，其分離性能與氣體的種類及膜孔徑的大小有關(guān)。如膜孔大到足以發(fā)生對流，分理就不可能發(fā)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(kuò)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(kuò)散得快，因而發(fā)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(jī)理

從上面的介紹可以看出，當(dāng)氣體透過多孔膜時(shí)，其傳遞機(jī)理可分為分子流、黏性流、表面擴(kuò)散流、分子篩篩分機(jī)理、毛細(xì)管凝聚機(jī)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(tài)聚合物和玻璃態(tài)聚合物。氣體在非多孔膜中的擴(kuò)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(jī)理比較公認(rèn)的是溶解一擴(kuò)散機(jī)理。不過，氣體在玻璃態(tài)聚合物中溶解時(shí)，存在兩種吸附現(xiàn)象：一種是來自玻璃態(tài)聚合物本身的溶解環(huán)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(jī)理來描述。

③氣體在復(fù)合膜中的滲透復(fù)合膜是非多孔膜的一種，其結(jié)構(gòu)為非對稱型，其滲透機(jī)理應(yīng)符合非多孔膜的機(jī)理，所不同的是復(fù)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(fù)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(fù)合膜；第三類為多層復(fù)合型(見圖10-34)，現(xiàn)簡介如下。

圖10-34氣體分離用復(fù)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(jī)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(fù)合膜：阻力型復(fù)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(jié)構(gòu)，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(bǔ)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(fù)合型：這類膜可看作是第一-類和第二類復(fù)合膜的改進(jìn)。這是由兩層以上的聚合物膜復(fù)合而成。其結(jié)構(gòu)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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