CO2分离膜的知识.ppt

CO2分离膜 由于化石燃料燃烧等人类活动，CO2排放日益加剧，已给全球气候环境、社会经济发展带来严重的负面影响，CO2减排已成为全球热点问题。 背景 1965~2011全球CO2排放量 分离捕集CO2的现实意义 去除天然气中的CO2可以提高天然气产品品质，减少设备和管道的腐烛，降低天然气的运输和储存成本。 CO2也是一种重要的资源和工业气体，在化工、油气开采、食品、农业、烟草、消防等领域有着广泛的应用。 因此，分离捕集CO2在环境、化工、能源等领域都具有非常重要的意义。 如何高效分离回收CO2成为当前的重要研究课题。 CO2分离方法 CO2分离方法的比较 分离方法 优点 缺点 溶剂吸收法 分离速度快，选择性高，技木成熟 能耗高，存在溶剂损耗、回收困难、腐烛 吸附法 过程简单，能耗低，无腐烛 吸附剂用量大、解吸频繁，CO2回收率低 低温分离法 分离效果好,易得到高纯度的CO2 设备投资大，成本高，工艺复杂 膜分离法 效率高，设备简单，投资低，能耗低环境友好 难以得到高纯度CO2 膜分离法是当今世界上发展迅速的一项节能的CO2分离技术，它是一种较新的没有相变的物理分离方法，具有设备简单、占地面积小、操作方便、分离效率高、能耗低、环境友好且便于和其他方法集成等优点，使得该技术研究和开发已成为世界各国在高新技术领域中竞争的热点。 CO2膜分离原理 膜分离法是利用各种气体在不同膜材料中渗透速率的差异来实现分离的，渗透速率相对较快的气体(如H2、CO2)透过膜后富集于膜的渗透侧，而渗透速率相对较慢的气体(如CH4、NH3)则富集于膜的滞留侧，从而使得混合气体分离。 气体通过膜的渗透能力与气体分子性质、膜的性质以及渗透气体与膜的相互作用有关，这是膜分离法效率高的主要原因。膜分离法包括分离膜和吸收膜两种类型，在膜分离技术的实施过程中往往需要二者共同来完成。 CO2的两种膜分离原理示意 CO2在膜中的传递机理对于非多孔膜材料，气体通过膜的传递过程一般用溶解-扩散机理来解释，气体透过膜的过程可分为三步： 气体在膜的上游侧表面吸附溶解 膜上游侧表面的气体在浓度差的推动下扩散透过膜 膜下游侧表面的气体解吸  CO2膜分离原理 多孔膜材料中气体传递机理包括努森扩散、表面扩散、毛细管冷凝、和分子筛分扩散等。由于多孔膜材料的孔径大小和孔表面性质的差异使得气体分子与膜的相互作用程度会有所不同，所以实际过程中气体在膜中的传递机理往往是上述几种机理的结合。 CO2膜分离原理 CO2分离膜材料 膜材料是膜分离技术的核心。材料的渗透系数与选择性受控于robeson上限，即渗透系数增加会导致选择性的下降，反之亦然。因而优质的膜材料应具有较大的气体渗透系数和较高的选择性，还要有良好的化学、物理稳定性、耐微生物侵蚀和耐氧化等性能。 根据制备膜的材料的不同，分离膜主要分为三大类：无机膜、有机聚合物膜和混合基质膜，有机聚合物膜根据传递机制又可以分为普通高分子膜(气体渗透膜)、促进传递膜以及气-液膜接触器。 CO2分离膜 无机膜 (1)无机膜 无机膜材料，具有许多优良的物理和化学特性，如机械强度大、热稳定性好、化学性质稳定、容易再生、使用寿命长且能耐各种酸碱性介质的腐烛等。但由于膜的可塑性差，易破损，价格昂贵等缺点，其发展受到一定限制。 研究较多的无机膜有碳膜、沸石膜、二氧化硅膜、陶瓷膜等，根据材料是否有孔结构，无机膜可分为多孔膜和无孔膜两种。 无机膜 多孔膜含有纳米孔道结构，非常适合CO2气体的分离。 如碳膜,是由高聚物在的高温下发生热裂解制备而成，具有小于1nm微孔结构,大部分碳膜的传递机理为分子筛扩散。 氧化硅膜,一般以陶瓷膜为支撑层,上面复合一层多孔性金属分离层,该分离层可以是氧化镁、氧化锆、氧化铝等，这种膜的优点是耐高温，但选择性差。 据报道，以氧化镁为复合层的膜对CO2/N2的选择性达到120 沸石膜，通常由硅铝酸盐的多晶薄膜负载在多孔载体上制备而成，如T-沸石膜，其厚度约20mm,对CO2/N2和CO2/CH4的选择性分别为107和400。 无机膜 CO2的分离效果取决于其在膜上的吸附能力,一般情况下随着温度升高吸附能力下降,如八面沸石和MFI型沸石。气体在膜中的传递机理为分子筛扩散，孔道的直径要与CO2分子的动力学直径匹配,分离效果才好。 如孔径为0.55nm的ZSM-5分子筛室温对CO2气体的选择性仅为5，而ASPO-34型[1]（孔径0.38)膜材料在CO2/CH4分离试验中渗透系数从2000到4000MPa，选择性为86-171。 Himeno[2]等合成的疏水的DDR型沸石膜(孔径0.36nm)渗透系数220MPa，CO2的选择性在室温下升到400。 [1] Ca