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三、气体膜分离 气体膜分离是指在压力差为推动力的作用下,利用气体混合物中各组分在气体分离膜中渗透速率的不同而使各组分分离的过程。气体膜分离过程的关键是膜材料。理想的气体分离膜材料应该同时具有良好的分离性能、优良的热和化学稳定性、较高的机械强度。通常的气体分离用膜可分为多孔质和非多孔质(均质膜)两类,它们各由无机物和有机高分子材料制成。气体膜分离技术的特点是：分离操作无相变化,不用加入分离剂,是一种节能的气体分离方法。它广泛应用于提取或浓缩各种混合气体中的有用成分,具有广阔的应用前景。 1、气体分离膜 常用的气体分离膜可分为多孔膜和致密膜两种,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。 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。 (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。 (2)、无机材料 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;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。 (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,为实现高温、腐蚀环境下的气体分离提供了可能性。 采用非对称膜时,它的表面致密层是起分离作用的活性层。为了获得高渗透通量和分离因子,表皮层应该薄而致密。实际上常常因为表皮层存在孔隙而使分离因子降低,为了克服这个问题可以针对不同膜材料选用适当的试 剂进行处理。例如用三氟化硼处理聚砜非对称中空纤维膜,可以减小膜表面的孔隙,提高分离因子。 2、气体膜分离原理 (1)、基本原理 均质膜无论是无机材料还是高分子材料都具有渗透性,而且很多是耐热、耐压和抗化学侵蚀的。其渗透机理可由溶解-扩散模型来说明。首先是气体与膜接触,如图(a),接着是气体在膜的表面溶解(称为溶解过程),如图(b);其次是因气体溶解产生的浓度梯度使气体在膜中向前扩散(称为扩散过程);随后气体就达到膜的另一侧,此时过程一直处于非稳定状态,如图(c),一直到膜中气体的浓度梯度沿膜厚度方向变成直线时 达到稳定状态,如图(d)。从这个阶段开始,气体由膜的另一侧脱附出去,其速度恒定。所以,气体透过均质膜的过程为溶解、扩散、脱附三个步骤。 (2)、影晌渗透通量与分离系数的因素 ① 压力 气体膜分离的推动力为膜两侧的压力差, 压差增大,气体中各组分的渗透通量也随之升高。但实际操作压差受能耗、膜强度、设备制造费用等条件的限制,需要综合考虑才能确定。 ② 膜的厚度 膜的致密活性层的厚度减小,渗透通量增大。减小膜厚度的方法是采用复合膜,此种膜是在非对称膜表面加一层超薄的致密活性层,降低可致密活性层的厚度,使渗透通量提高。 ③ 膜材质 气体分离用膜多采用高分子材料制成,气体通过高分子膜的渗透程度取决于高分子是“橡胶态”还是“玻璃态”。橡胶态聚合物具有高度的链迁移性和对透过物溶解的快速响应性。气体与橡胶之间形成溶解平衡的过程,在时间上要比扩散过程快得多。因此,橡胶态膜比玻璃态膜渗透性能好,如氧在硅橡胶中的渗透性要比在玻璃态的聚丙烯腈中大几百万倍。但其普遍缺点是它在高压差下容易变形膨胀;而玻璃态膜的选择性较好。气体分离用高分子膜的选定通常是在选择性与渗透性之间取折中的方法,这样既可提高渗透通量又可增大分离系数。 ④ 温度 温度对气体在高分子膜中的溶解度与扩散系数均有影响,一般说来温度升高,溶解度减小,而扩散系数增大。但比较而言,温度对扩散系数的影响更大,所以,渗透 通量随温度的升高而增大。 3、气体膜分离流程及设备 气体膜分离流程可分为单级的