气体膜分离技术
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
膜分离气体的原理
膜分离气体的原理膜分离是一种常见且有效的气体分离技术，它是利用膜材料对气体分子的选择性渗透性进行分离的过程。
膜分离技术广泛应用于天然气纯化、空气分离、氢气制备、二氧化碳捕集等领域。
膜分离气体的原理基于气体分子在不同材料膜上的渗透速率差异，其分离原理可以归纳为三个基本过程：溶解、扩散和脱附。
首先是溶解过程。
在膜分离过程中，气体分子会溶解进入膜材料内部。
溶解过程的速率取决于气体溶解度和膜材料的亲溶性。
当气体分子的溶解度较高时，溶解过程对分离效果的影响将更加显著。
接着是扩散过程。
溶解在膜材料内部的气体分子会在不同浓度梯度下发生扩散，从而通过膜材料逐渐向另一侧迁移。
扩散过程的速率取决于气体分子在膜材料内部的扩散系数、膜材料的厚度和温度等因素。
通常情况下，较小的气体分子扩散速率更快。
最后是脱附过程。
气体分子在膜材料另一侧的界面上会脱附，重新进入气相。
脱附过程的速率取决于气体分子在膜材料内部的脱附速率和膜材料与气相之间的相互作用力。
当膜材料表面与气体分子之间的亲和力较低时，脱附过程将变得更加容易。
膜分离气体的原理可以通过多种不同类型的膜材料实现，如多孔膜、非多孔膜和复合膜等。
多孔膜是由具有一定孔径和孔隙度的材料制成，通过孔隙内气体分子的溶解、扩散和脱附来实现分离。
非多孔膜则是由透明聚合物制成的非孔隙结构，气体分子通过聚合物链的链隙进行扩散。
而复合膜则是由多层材料组成的，通过不同材料层之间的相互作用来实现分离。
膜分离气体的分离效果受多种因素的影响。
首先是膜材料的选择。
不同膜材料对于不同气体的分离效果有所差异，因此在应用中根据具体需要选择适当的膜材料。
其次是操作条件的控制，如温度、压力和流速等。
适当的操作条件可以提高膜分离的效果。
此外，也可以通过采用多级膜分离和膜组件的组合来提高分离效果。
总的来说，膜分离是一种基于膜材料对气体分子的选择性渗透性进行分离的技术。
它的原理涉及到溶解、扩散和脱附三个过程，通过控制这些过程的速率差异实现对气体分子的分离。
气体膜分离
(1)由于使用TMG膜分离系统，所以没有运动部 件，故障率极低，运行可靠性高，几乎不需维修， 膜组寿命长，使用年限保证在10年以上; (2)完备的控制系统保证氮气的纯度、流量和压 力具有高的稳定性; (3)启动迅速，操作简单，开启3min后即可供氮; (4)系统为模块设计，结构紧凑; (5)气体分离过程无噪音，无污染，并且不产生 任何有害废弃物.经过一级膜分离后，富氮浓度 一般可达99.5%(相对于氧而言，即无氧含量
四、制氮工艺流程
膜分离法制高纯氮的一般工艺流程(以天津 Messer公司产品为例)见图2。 空气经空压机加压后，再经过两级油水分离 器，两级颗粒过滤器以及碳过滤器和加热器， 使得原来含尘、含油、含水分高的空气，变成 含油、含尘、含水低的干净的压缩空气，干净 的压缩空气再在膜组的作用下，实现氧氮分离. 该流程的主要特点为：
2)进一步优化气体膜组件、膜装臵、膜过程 3)气体膜分离装臵向控制自动化程度高的方向发 展.目前已能对气体的浓度、温度、压力、露点 等进行自动控制，甚至可以全面实现与计算机 接口.全部操作可在电脑上进行 4)开发简单方便、普遍适用的制备中空纤维超薄 皮层(<5*10—8m)的方法 5)进一步优化气体膜制备生产工艺，以降低膜的 生产成本
气体膜分离技术
• 毛细管凝聚对蒸气混合物的分离效果尤其显著
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。
高等分离工程
气体膜分离
膜生物反应器
气体膜分离
1 2 3 4
简介 膜材料
原理
设备
应用
5
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。
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。 。
根据气体通过膜的分离机理不同其原理主要有以下两种：
溶解扩散机理： 吸 着
扩散
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。
气体膜分离技术
气体膜分离流程
气体膜分离流程可分为单级的、多级的。当过程的分离系数不高，原料气的浓 度低或要求产品较纯时,单级膜分离不能满足工艺要求,因此,采用多级膜分离,即 将若干膜器串联使用,组成级联。常用的气体膜分离级联有以下三种类型。
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
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。
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。
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。
膜分离技术
混合气体通过多孔膜的传递过程应以分子流为主, 其分离过程应尽 可能满足下述条件: 多孔膜的微孔孔径必须小于混合气体中各组分的平均自由程。 由于在大气压力下的λ的值在1000-2000Å，为了使分子流占优势, 取得良好的分离效果, 一般要求多孔膜的孔径在( 50 ~ 300) Å；
混合气体的温度应足够高, 压力尽可能低。
膜改性
（1）表面活性剂改性
表面活性剂是由至少两种以上极性或亲媒性显著不同 的官能团，如亲水基和疏水基所构成，具有不对称结构。 在其与溶液相接的界面上，由于官能团的作用形成选 择性定向吸附，界面的状态和性质即随之发生显著变化。 非离子型表面活性剂会在与它相接的截面上形成致密的亲 水层，改善界面的亲水性。离子型表面活性剂含有电荷可 以通过静电排斥相同电荷的物质在界面上的吸附。
气体从膜的低压侧表面上脱附出去
m= D· · · d A S ΔP/ = ( P / d) · · A ΔP =J · · P A Δ 式中: P -----D· 渗透系数（10-8---10-14） S J------D· 渗透速率 S/d
（2）表征膜性能的基本参数
渗透速率（J） J=D· S/d
膜改性
（5）辐照接枝改性
辐照接枝改性对于聚合物材料的物化特性和制备亲水性的 膜是一种行之有效的方法，是膜表面改性的重要途径之一。 它主要是利用高能Y射线或电子束对聚合物进行高能辐射， 使其产生活性种，然后活性种引发单体进行接枝聚合反应， 把某些性能的基团或聚合物支链接到膜材料的高分子链上， 使膜具有某些需要的性能。 聚合物改性既可改变膜的物理、机械性能，又可改变膜的 化学或物理性能。
膜改性
技术优点
气体膜分离技术及其发展应用
气体膜分离技术及其发展应用气体膜分离技术是一种利用气体分子在多孔膜中传递过程的物理和化学效应进行物质分离的技术。
通过气体在膜材料中的传递过程，不同大小、不同形状、不同性质的气体分子被分离出来，实现了气体纯化、浓缩、脱水和回收等目的。
由于其具有高效、节能、环保等优点，在许多领域的应用中得到了广泛关注。
1.气体分离与纯化：气体膜分离技术可以将混合气体中的组分分离出来，实现气体的纯化。
常见的应用包括空气中的氧气和氮气的分离、天然气中的甲烷和乙烷的分离等。
2.气体浓缩：气体膜分离技术可以将稀薄气体中的目标气体浓缩起来。
例如，将大气中的二氧化碳浓缩并用于工业化学反应、碳酸饮料制造等。
3.气体脱水：气体膜分离技术可以通过控制膜材料的选择和操作条件来去除气体中的水分。
这在天然气处理和乙醇生产等领域中具有重要的应用价值。
4.气体回收：气体膜分离技术可以将废气中的有用气体回收利用。
例如，在石油化工行业中，可以通过膜分离技术将废气中的有机溶剂进行回收利用。
1.早期阶段：20世纪50年代至70年代是气体膜分离技术的早期发展阶段。
在这个阶段，主要关注的是膜材料的选择和制备方法，以及对膜分离过程的理论研究。
2.中期阶段：到了20世纪80年代，气体膜分离技术开始逐渐应用于工业实践。
膜的制备方法和分离设备得到了改进，并且开始有了商业化的应用。
3.现代阶段：进入21世纪以后，气体膜分离技术的研究重点逐渐从传统膜材料向新型材料的研发转变。
例如，有机-无机杂化材料、金属有机框架材料等。
4.未来发展：随着能源和环境问题的日益突出，气体膜分离技术在能源和环保领域中的应用前景广阔。
未来发展的重点将在提高气体分离效率、降低成本、减少能耗等方面进行研究。
总之，气体膜分离技术具有广泛的应用前景。
随着新型材料和技术的不断发展，气体膜分离技术将在能源、化工、环保等领域中发挥更加重要的作用，为人类的可持续发展做出贡献。
膜分离技术分离氧气
膜分离技术分离氧气膜分离技术是一种常用于分离气体的方法，其中包括分离氧气。
氧气是一种广泛应用于工业、医疗和生活领域的重要气体资源。
膜分离技术通过使用特殊的膜材料，根据气体分子的大小、形状和亲疏水性等特性，将混合气体中的氧气分离出来。
膜分离技术的原理是利用膜材料的选择性透气性能，通过对气体混合物的压力差、浓度差或温度差等驱动力，将气体分子按其不同的透过性能通过膜层，从而实现分离和富集氧气的目的。
常用的膜材料有聚合物膜、陶瓷膜和金属膜等。
聚合物膜是膜分离技术中应用最广泛的一种膜材料。
聚合物膜具有良好的透气性能和机械强度，可根据不同的气体分子大小和形状进行调整。
在氧气分离中，聚合物膜可以选择性地通过较小分子的氧气，而阻隔较大分子的氮气和其他杂质气体。
通过调整膜材料的结构和组成，可以获得不同的氧气分离效果。
陶瓷膜是一种以无机材料为基础制备的膜材料。
陶瓷膜具有较高的化学稳定性和热稳定性，适用于高温、强酸、强碱等恶劣环境下的氧气分离。
陶瓷膜的分离机制主要是通过孔道和表面的分子筛效应来实现，对气体分子的大小和形状要求比较严格。
因此，陶瓷膜在氧气分离中具有较高的选择性和分离效率。
金属膜是一种以金属材料为基础制备的膜材料。
金属膜具有较高的透气性能和机械强度，适用于高压、高温等恶劣条件下的氧气分离。
金属膜的分离机制主要是通过气体分子在金属膜表面的吸附和解吸作用来实现，对气体分子的亲疏水性和扩散性要求较高。
金属膜在氧气分离中具有较高的通透性和稳定性。
膜分离技术具有分离效率高、操作简单、能耗低等优点，因此在氧气制备、空分设备、医疗氧气等领域得到广泛应用。
在氧气制备中，通过将空气经过膜分离装置，可以将氧气从空气中分离出来，制备高纯度的氧气。
在空分设备中，膜分离技术可以与传统的吸附分离技术相结合，提高氧气的分离效率和产量。
在医疗氧气中，通过膜分离技术可以将空气中的氧气富集到医用标准，用于治疗疾病和提供呼吸支持。
膜分离技术是一种有效的氧气分离方法，通过选择合适的膜材料和优化的工艺条件，可以实现对氧气的高效分离和富集。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。 。
根据气体通过膜的分离机理不同其原理主要有以下两种：
溶解扩散机理：吸 着
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。
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
高等分离工程
2020/7/18
Hale Waihona Puke 气体膜分离 膜生物反应器气体膜分离
1 2 3 4 5
简介 膜材料 原理 设备 应用
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。
发 展 历 史
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；
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
• 气体混合物中易冷凝组分在毛细管凝聚作用下在孔内冷凝，阻碍了其他组分 分子通过，从而达到分离效果
• 毛细管凝聚对蒸气混合物的分离效果尤其显著
分子筛筛分
• 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 • 分子筛筛分模型
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。
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。
诺森数 Kn > 1
扩散流模型：
表面扩散流 • 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
• 通常沸点低的气体易被孔壁吸附，而且操作温度越低，孔径越小，表面扩散越显著 • 表面扩散流机理在蒸气分离中一般比努森扩散有效。
毛细管凝胶模型
• 在膜孔比分子筛稍大几或十几10 10 m中
Kn
dP
气体分子的平均运动自由程；
d P 膜的平均孔径 ；
粘性流
粘性流是指孔径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
即：Kn< 1
粘性流模型：
Knudsen扩散流
Knudsen扩散流（分子流）是指孔径小于操作条件下的气体分子平均运动自由程，孔内分子流动 受分子与孔壁之间的碰撞作用支配
扩散
解吸
机
1、粘性流动机制
理
2、Knudsen （诺森）扩散 微孔扩散机理
3、表面扩散机制
4、分子扩散
致密膜 多孔膜
气体在多孔膜中的分离机理
气体透过多孔膜的过程, 有的可以用一种机理来解释, 有的可能同时存在2种以上的机理, 这取决于膜对 气体的分离性能, 与气体性质及膜孔径大小有关
气体在微孔膜中的分离效应决定因素诺森数 Kn
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
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。