气体分离膜
气体膜分离技术
气体膜分离技术面临着来自其他分离技术的竞争压力，如蒸馏、吸附、吸收等。为了在市 场上获得竞争优势，需要不断提高技术的性能和降低成本。
技术创新
通过技术创新不断改进气体膜分离技术的性能和降低成本是市场成功的关键。这包括研发 新型膜材料、优化膜组件的设计和操作参数，以及开发新的应用领域。
未来发展方向与趋势
新型膜材料的研发
随着材料科学的不断发展，未来 将有更多新型的膜材料涌现，为 气体膜分离技术的发展提供新的
可能性。
集成化与智能化
未来气体膜分离技术将朝着集成 化和智能化的方向发展，实现多 级分离、能量回收和自动控制等
功能。
应用领域的拓展
随着气体膜分离技术的不断改进 和成本的降低，其应用领域将进 一步拓展，包括氢气、二氧化碳 等特殊气体的分离，以及生物医
气体膜分离技术
• 气体膜分离技术概述 • 气体膜分离技术的基本原理 • 气体膜分离技术的主要工艺流程
• 气体膜分离技术的实际应用案例 • 气体膜分离技术的挑战与前景
01
气体膜分离技术概述
定义与原理
定义
气体膜分离技术是一种基于气体在压 力驱动下通过高分子膜的选择性渗透 进行混合气体分离的先进技术。
原理
利用不同气体在膜中溶解和扩散速率 的不同实现选择性分离。在压力差的 作用下，渗透速率较快的组分优先透 过膜，从而达到分离目的。
分类与特点
分类
根据膜材料和分离机理，气体膜分离 技术可分为有机膜分离和无机膜分离 两类。
特点
操作简单、能耗低、无相变、无污染、 分离效率高、可实现大规模连续生产 等。
应用领域
工业气体分离
用于从混合气体中分离出氢气 、氮气、氧气等高纯度气体， 广泛应用于石油、化工、冶金
第六章气体膜分离ppt课件
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
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分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
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气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
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描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
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气体分离膜品类
气体分离膜品类1. 介绍气体分离膜是一种用于分离混合气体中不同组分的薄膜材料。
它通过选择性渗透性能，将混合气体中的组分分离出来，实现纯化和浓缩的目的。
气体分离膜广泛应用于气体分离、气体纯化、气体回收等领域，具有高效、节能、环保等优点。
2. 气体分离膜的原理气体分离膜的分离原理基于气体分子的渗透和扩散。
气体分子在薄膜材料中通过渗透和扩散的方式，根据其分子大小、极性、溶解度等特性，以不同的速率通过膜层，从而实现气体的分离。
常见的气体分离膜包括聚合物膜、无机膜和复合膜等。
聚合物膜通常由聚合物材料制成，具有良好的选择性和渗透性能；无机膜由无机材料制成，具有较高的稳定性和耐腐蚀性能；复合膜则是将聚合物膜和无机膜等不同材料组合而成，综合了各自的优点。
3. 气体分离膜的应用领域气体分离膜广泛应用于各个领域，包括能源、化工、环保、医药等。
3.1 能源领域在能源领域，气体分离膜被用于天然气处理、氢气纯化、煤气脱硫等。
例如，在天然气处理中，气体分离膜可将天然气中的甲烷、乙烷等组分分离出来，提高天然气的纯度和质量。
3.2 化工领域在化工领域，气体分离膜可以用于气体分离、溶剂回收、废气处理等。
例如，在溶剂回收中，气体分离膜可以将有机溶剂与废气中的气体分离，实现溶剂的回收利用，减少环境污染。
3.3 环保领域在环保领域，气体分离膜可以用于废气处理、二氧化碳捕集等。
例如，在二氧化碳捕集中，气体分离膜可以将二氧化碳与其他气体分离，实现二氧化碳的回收和利用，减少温室气体的排放。
3.4 医药领域在医药领域，气体分离膜可以用于气体纯化、药品生产等。
例如，在氧气纯化中，气体分离膜可以将氧气与其他气体分离，提高氧气的纯度和质量，用于医疗设备和治疗。
4. 气体分离膜的发展趋势随着科技的不断进步和应用需求的增加，气体分离膜也在不断发展和创新。
以下是气体分离膜的发展趋势：4.1 提高分离性能气体分离膜的分离性能是衡量其性能优劣的重要指标。
未来的发展趋势是提高膜材料的选择性和渗透性能，实现更高效的气体分离和纯化。
第九章气体分离膜
第九章气体分离膜第一节概述气体膜分离进程是一种以压力差为驱动力的分离进程，在膜双侧混合气体各组分分压差的驱动下，不同气体分子透过膜的速度不同，渗透速度快的气体在渗透侧富集，而渗透速度慢的气体那么在原料侧富集。
气体膜分离正是利用分子的渗透速度差使不同气体在膜双侧富集实现分离的。
1831年，J.V.Mitchell系统地研究了天然橡胶的透气性，用高聚物膜进行了氢气和二氧化碳混合气的渗透实验，发觉了不同种类气体分子透过膜的速度不同的现象，第一提出了用膜实现气体分离的可能性。
1866年，T.Craham研究了橡胶膜对气体的渗透性能，并提出了此刻广为人知的溶解—扩散机理。
尽管在100连年前就发觉了利用膜实现气体分离的可能性，但由于那时的膜渗透速度很低，膜分离难以与传统的分离技术如深冷分离法、吸附分离法等竞争，未能引发产业界的足够重视。
从20世纪50年代起，科研工作者开始进行气体分离膜的应用研究。
1950年S.Weller和W.A.Steier用乙基纤维素平板膜进行空气分离，取得氧浓度为32%~36%的富氧空气。
1954年 D.W.Bubaker和K.Kammermeyer发觉硅橡胶膜对气体的渗透速度比乙基纤维素大500倍，具有优越的渗透性。
1965年S.A.Stern等为从天然气中分离出氦进行了含氟高分子膜的实验，并进行了工业规模的设计，采纳三级膜分离从天然气中浓缩氦气。
同年美国Du Pont公司初创了中空纤维膜及其分离装置并申请了从混合气体中分离氢气、氦气的专利。
气体膜分离技术的真正冲破是在70年代末，1979年美国的Monsanto公司研制出“Prism”气体膜分离裝置，“Prism”μm左右，远比均质膜薄，因此其渗透速度大大提高；硅橡胶涂层起到修补底膜皮层上的孔缺点的作用，以保证气体分离膜的高选择性。
“Prism”气体膜分离裝置自1980年商业应用以来，至今已有上百套装置在运行，用于合成氨弛放气中氢回收和石油炼厂气中氢回收。
分离膜
气体分离膜的制备膜的制备在膜科学中也占有非常重要的地位，是实现膜材料分离功能的关键环节，对膜的性能也具有很大的影响。
同一种膜材料由于制造工艺和工艺参数不同，膜性能往往差别很大。
气体分离膜的工艺和方法经过了长期和艰苦的探究过程。
在有机高分子气体分离膜制备方面，人们经过了通过反渗透膜干燥技术制备气体膜、阻力热膜、热处理型膜和复合型模、致密皮层非对称气体分离膜等几个阶段的探究，虽然先阶段有机高分子制备气体分离膜走向商业化还面临许多技术上的难题，但是探究过程中不断涌现的新思想及其生产的理想气体分离膜形态结构为气体分离膜的发展不断持续的注入了活力。
1.烧结法烧结法主要把大小不一的聚合物微细粉末置于模具中，在一定温度下挤压，使粒子表面变软而相互粘结形成多孔体，组后进行机械加工而得到膜。
2.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是合成无机膜的一种非常重要的制备方法。
该方法是以金属醇盐作为原料，经过有机溶剂溶解，在水中强烈快速的搅拌水解成为溶胶；溶胶经过低温干燥形成凝胶，控制一定温度与湿度继续干燥制成膜。
凝胶膜经过高温焙烧便成了具有一定陶瓷特性的氧化物微孔膜。
3.拉伸法拉伸法用于用结晶聚合物制造微孔膜。
它把部分结晶的聚合物膜经过单向和双向牵伸，形成有微细的裂纹的多孔膜，孔径一般在0.02~0.15um之间。
拉伸法制造工艺首先用高速挤出聚合物，使聚合物在接近熔点下形成高取向结晶膜，冷却后，短时间内拉伸到300%，破坏结晶构造，得到宽为20~250nm的细长裂纹。
4.熔融法熔融法用来制造均匀质膜，它是把聚合物加热到熔融态，挤压成平板膜或由喷丝头挤出，冷却后可得到均质无孔膜。
熔融挤压法纺丝效率高，可以告诉纺丝，而且多孔喷丝头制造工艺也很成熟。
5.蚀刻法蚀刻法主要分为照射和化学蚀刻两步。
首先用高能中子发生源产生的射线垂直照射聚合物，通常用反应堆中子照射薄层铀靶，使其中的铀235裂变，得到高能裂片重离子，裂片经过准直后基本以垂直方向进入塑料薄层等绝缘固体，在所经过的路径上使周围的分子电离、激发、聚合物分子的长链断裂并生成自由基，形成一个称为“径迹”的狭窄辐射损伤区。
气体膜分离技术应用
膜组件设计与制造
中空纤维膜组件
采用中空纤维膜丝束作为 分离元件，具有高装填密 度、低压降等优点。
卷式膜组件
将膜片卷绕在多孔支撑材 料上，形成多层分离结构 ，适用于大规模气体处理 。
板框式膜组件
由平板膜和框架组成，具 有易于清洗、更换方便等 特点。
膜性能评价与优化
渗透性能
评价膜对气体的渗透速率和选 择性，优化膜材料和结构以提
前景
随着环保要求的日益严格和能源结构的转变，气体膜分 离技术将在未来发挥更加重要的作用。例如，利用气体 膜分离技术回收工业废气中的有用组分，减少环境污染 ；在新能源领域，如燃料电池、太阳能等领域，利用气 体膜分离技术提纯氢气等燃料气体，提高能源利用效率 。此外，随着新材料和新技术的不断涌现，气体膜分离 技术的性能和应用范围将进一步拓展，为未来的气体分 离领域带来更多的可能性。
进料系统
将预处理后的原料气按一定压力 、温度和流量要求送入膜分离器 。
膜分离操作过程
膜的选择
渗透气和滞留气的收集
根据原料气的组成和分离要求，选择 合适的膜材料和结构。
渗透气（通过膜的气体）和滞留气（ 未通过膜的气体）分别收集，以供后 续处理或应用。
膜分离器操作
在一定的操作条件下，如压力差、温 度等，原料气在膜分离器中实现组分 分离。
后处理及回收系统
渗透气和滞留气的后处理
根据应用需求，对渗透气和滞留气进行进一步的处理，如干燥、 压缩等。
回收系统
对于有价值的组分，可通过回收系统实现资源的有效利用，降低生 产成本。
安全与环保措施
确保整个工艺流程的安全性和环保性，采取必要的措施防止事故和 污染的发生。
04
CATALOGUE
第十章-气体分离膜
17.07.2021
精选可编辑ppt
32
利用Prism膜组件从合成氨弛放气中回收氢工艺示图
Prism膜组件构造是将中空丝多孔质支撑体的外表面以硅橡胶包覆(或
涂敷)而得。
氢的回收率通常都在95%以上，一个日产1000t的合成氨厂采用膜分离
17.装07.2置021 后，每天可增产50t的氨。 精选可编辑ppt
10.2.2 无机材料 金属及其合金膜； 陶瓷膜； 分子筛膜。
10.2.3 有机-无机集成材料 分子筛填充有机高分子膜； 聚合物热裂解法。
17.07.2021
精选可编辑ppt
6
10.3 气体分离膜组件
10.3.1 平板式膜组件
10.3.2 螺旋卷式膜组件 10.3.3 中空纤维式膜组件
17.07.2021
渗透系数（P）：表示气体通过膜的难易程度，是体现膜 性能的重要指标。它因气体的种类、膜材料的化学组成和 分子结构的不同而异。当同一种气体透过不同的气体分离 膜时，P主要取决于气体在膜中的扩散系数；而同一种膜 对不同气体进行透过时，P的大小主要取决于气体对膜的 溶解系数。
扩散系数（D）：用渗透气体在单位时间内透过膜的气体 体积来表示。它随气体分子量的增大而减小。
17.07.2021
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The relative size and condensability (boiling point) of the principal components of
natural gas. Glassy membranes generally separate by differences in size; rubbery
membranes separate by differences in condensability
气体分离膜材料的制备与性能优化
气体分离膜材料的制备与性能优化随着人们对环境的关注和对能源的需求不断增加，膜分离技术被广泛应用于空气分离、甲烷提纯、氢气分离等领域。
其中，气体分离膜材料的制备和性能优化是实现高效分离的关键。
本文将讨论气体分离膜材料制备的方法、性能的评估指标以及性能优化的策略。
一、气体分离膜材料的制备方法目前常见的气体分离膜材料制备方法包括浸渍法、拉伸法、喷涂法、共混法等。
其中，浸渍法是最常见的制备方法之一。
其原理是将聚合物溶液浸渍于多孔性支撑体中，再通过干燥、热处理等工艺步骤制备膜材料。
浸渍法可以得到较高的膜厚和较为稳定的分离性能，但需要较长的干燥时间和高温热处理。
拉伸法是另一种重要的气体分离膜材料制备方法。
其通过在延伸过程中拉伸聚合物分子，使其排列更加紧密，从而实现控制孔径大小的目的。
拉伸法可以得到较高的孔径控制精度和较高的膜透过率，但是由于需要控制温度和拉伸速率，制备过程较为复杂。
喷涂法是一种新型的气体分离膜材料制备方法，其原理是将材料溶液喷涂于基底表面，随后由于挥发和流动的作用，材料在基底表面形成薄膜。
喷涂法具有低温、低成本、高速制备等优点，但由于其对溶液浓度和喷涂速率的要求较高，需要更为严格的工艺控制。
共混法则是将两种或多种聚合物混合后经加工形成膜材料。
一般是将一种低温态的聚合物和另一种高温态的聚合物或是一些添加剂进行混合，这样可以克服某些单一材料制备时的缺陷，同时保证了性能的稳定和可控。
共混膜材料具有很高的成本效益，能够提供优异的分离效率和高效的产率，因此被广泛应用于气体分离。
二、气体分离膜材料的性能评估指标气体分离膜材料性能的评估指标主要包括两个方面：气体分离性能和膜材料的机械性能。
其中，气体分离性能是最为重要的指标之一，其影响着膜材料的应用范围和分离效率。
气体分离性能的评价指标主要包括通量、气体选择性、分离因子等。
1. 通量：指膜材料单位面积上通过的气体流量。
通量通常表示为单位时间内通过的气体量（L/min、cm3/min等）或单位面积内通过的气体量（L/m2·h、cm3/cm2·s等）。
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间的碰撞作用支配
多孔膜分离机理
3.表面扩散
气体分子吸附在膜孔 壁上，在浓度差的作 用下，分子沿膜孔表 面移动，产生表面扩 散流
4.分子筛分 ❖膜孔介于不同气体分子 直径之间 ❖直径小的分子就能通过 膜孔，而大分子就被挡 住，达到分离效果
多孔膜分离机理
5.毛细管凝聚
❖ 在操作温度处于较低温度的情况下，当气体通过微孔 介质时，易冷凝组分达到毛细管冷凝压力时，孔道被 易冷凝组分的冷凝液体堵塞，从而阻止非冷凝组分渗 透，从而出现毛细管冷凝分离。
气体分离膜
寿命
选择性
气体分离膜 三要素
渗透速率
气体分离膜
(一)气体分离膜的主要特性参数
(1)渗透系数(Q)
渗透系数是单位压力单位膜面积在单位时间内透过 单位膜厚度的气体的量。其单位是cm3（STP）/（ cm2·s·cmHg）或cm3（STP）/（cm2·s·atm）。
(2) 分离系数
A/B
[ BA组组分分的的浓浓度度]透过气 [ AB组组分分的的浓浓度度]原料气
气体分离膜
(3)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。
气体分离膜的分离机理 多孔膜分离机理
非多孔膜的分离机理
多孔膜分离机理
多孔膜是利用不同气体通过膜孔的速率差
PA PA
/ /
PB PB
(3)溶解度系数(S)
气体分离膜
(二) 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。
返回
非多孔膜的分离机理
上游
上游
下游 （1）
膜
上游
下游 （3）
下游 （2）
膜
膜
❖ （1）气体溶解在 膜的上游表面；
❖ （2）在浓度差的 作用下，溶解在上 游表面的 气体在 膜中向膜的下游表 面扩散；（控制步 骤）
❖ （3）到达膜下游 表面的气体从膜的 下游表面解吸。
气体分离膜的应用
自1980年来,利用聚合物致密膜分离工业气体的方法 急剧增长,广泛用于膜法提氢; 膜法富氧、富氮;有 机蒸气回收;天然气脱湿、提氢、脱二氧化碳和脱 硫化氢等。 (1)、氢气的回收
气体分离膜
1829 1981 1950 1954 1965
开始膜法气体透过性研究 J. V. Mitchell研究了天然橡胶的透气性
众多科学家研究大量气体分离膜 P. Mears研究了玻璃态聚合物的透气性 S. A. Sterm等从天然气中分离氦气
气体分离膜
❖1979年，美国Monsanto（孟山都公司）研制 出“Prism”气体分离膜装置，通过在聚砜中
气体分离膜
(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。
进行分离的，其分离性能与气体种类、膜
孔径等有关。其传递机理可分为努森扩散
，粘性流扩散，表面扩散，分子筛分，毛
1细.努管森扩凝散聚等。
2.黏性流扩散
努森数>>1尤其当Kn≥10
努森数≤0.01
气体分子平均自由程远 于膜孔径，呈努森扩散 孔内分子流动受分子与孔壁
孔径远大于操作条件气体 分子的平均运动自由程， 孔内分子流动受分子之间 碰撞作用支配
空纤维膜外表面上涂敷致密的硅橡胶表层，从 而得到高渗透率、高选择性的复合膜，成功地 将之应用在合成氨弛放气中回收氢。成为气体
分离膜发展中的里程碑。至今已有百多套在运 行， 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。
气体分离膜
❖从20世纪80年代开始，中科院大连化物所 、长春应化所等单位，在研究气体分离膜 及其应用方面进行了积极有益的探索，并 取得了长足进展。1985年，中科院大连化 物所首次成功研制了聚砜中空纤维膜氮氢 分离器。
气体分离膜
(3) 有机-无机杂化材料
➢ 采用有机-无机杂化复合膜,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。
气体分离膜
按材料的化学组成,气体分离膜材料有高分子材 料、无机材料、有机-无机杂化材料。 (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。
气体分离膜(GS)
气体分离膜
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。
膜法进行气体的分离最早用于氢气的回收。典型 的例子是从合成氨弛放气中回收氢气。在合成氨生 产过程中每天将有大量氢气的高压段被混在弛放气 中白白地烧掉,如果不加以回收,将会造成很大的浪 费。