第六章 气体膜分离

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。

环境工程原理-环境工程原理课后思考题解答6膜分离第六章膜分离技术1、什么是膜分离过程，有哪些膜分离过程，各有什么特点，各分离过程分离离子的范围？答：若在流体内部或两流体间有一薄层凝聚相物质把流体分隔为两部分，则这一薄层物质称为膜，膜可以是固态、液态或气态。

膜分离是利用膜材料具有选择性渗透作用而使气体或液体混合物得到分离的一种方法。

膜分离技术具有以下优点：(1)能获得高纯度组分；(2)操作过程的能耗较低；(3)分离操作通常在常温或低温下操作，对热敏物料的分离尤其适宜。

2、说明膜分离过程的推动力及分离原理。

答：物质能选择性地透过膜的推动力有两种：一种是由外界提供能量，使物质能由低位向高位移动；另一种是因膜的存在造成被分离系统具有化学位差的作用下由高位向低位移动。

3、不同的膜分离过程适用于哪些场合？答：依据膜孔径的不同，分离的粒子颗粒直径也有差异。

4、膜组件有哪些形式，各有什么特点？答：(1)板框式膜组件板框式膜组件优点：组装方便，膜的清洗更换比较容易，料液流通截面较大，不易堵塞，可视生产需要组装膜组件。

缺点：密封边界长，板框和密封件的加工精度高；每块板上料液的流程短，通过板面的透过液量较少，(2)卷式膜组件与板框式膜组件相比，卷式膜组件优点是：膜组件比较紧凑；单位体积内的膜面积大；制作相对简单。

其缺点是：清洗不方便，膜损坏时，不易更换；卷式膜组件所用的膜必须是可焊接或可粘贴的膜。

(3)管式膜组件优点：结构简单；安装、操作方便；流体流动状态好,不易被堵塞。

缺点：单位体积膜组件的膜面积少，一般仅为30~330m2/m3，除特殊场合外，一般不被使用。

(4)中空纤维膜组件优点：设备紧凑，组件单位体积内的有效膜面积高达16000～3000m2/m3缺点：中空纤维内径小阻力大，易堵塞，所以料液走纤维管间，透过液走纤维管内。

透过液侧流体能量损失大，压降可达数个大气压，膜污染难除去。

5、简要说明反渗透的原理，反渗透的操作压力与膜的类型有关吗？答：当纯水与盐水用一张能透过水的半透膜隔开时，纯水能透过膜向盐水一侧渗透，直到盐水一侧水位升高到一定高度为止，渗透过程达到动态平衡，这种现象称之为渗透现象。

膜分离原理
膜分离系统的工作原理就是利用一种高分子聚合物（膜材料通常是聚酰亚胺或聚砜）薄膜来选择'过滤'进料气而达到分离的目的。

当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时，各气体组分在聚合物中的溶解扩散系数的差异，导致其渗透通过膜壁的速率不同。

由此，可将气体分为'快气'（如H2O、H2、He等）和'慢气'（如N2、CH4及其它烃类等）。

当混合气体在驱动力—膜两侧相应组分分压差的作用下，渗透速率相对较快的气体优先透过膜壁而在低压渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集。

快气慢气
各气体渗透量可表示为
上式中Qi：气体组分i的渗透量
(P/l)i：气体组分i的渗透系数
A：膜面积
P：原料气压力
p：渗透气压力
x i：气体组分i在原料气中的体积分数
y i：气体组分i在渗透气中的体积分数
从上式可以看出：膜的分离选择性（各气体组分渗透量的差异）、膜面积和膜两侧的分压差构成了膜分离的三要素。

其中，膜分离的选择性取决于制造商选用的膜材料及制备工艺，是决定膜分离系统性能和效率的关键因素。

分离器结构
膜分离系统的核心部件是一构型类似于管壳式换热器的膜分离器，数万根细小的中空纤维丝浇铸成管束而置于承压管壳内。

混合气体进入分离器后沿纤维的一侧轴向流动，'快气'不断透过膜壁而在纤维的另一侧富集，通过渗透气出口排出，而滞留气则从与气体入口相对的另一端非渗透气
出口排出。

气体膜分离概述气体膜分离是一种常用的分离技术，用于分离混合气体中的不同组分。

该技术基于气体分子在薄膜上的渗透性差异来实现分离。

气体膜分离广泛应用于气体纯化、气体分离、气体浓缩等领域，具有高效、低成本、易操作等优点。

原理气体膜分离的原理是基于不同气体分子在膜材料上的渗透性差异。

膜材料常用的有聚合物膜、无机材料膜等。

当混合气体与膜接触时，其中的不同组分气体会因为渗透速率的不同而在膜的两侧产生浓度差。

这样，通过调整操作条件，如压力、温度等，就可以实现对不同组分气体的分离。

膜材料聚合物膜聚合物膜是气体膜分离中常用的一种膜材料。

聚合物膜可以通过改变聚合物的化学结构和物理性质来实现对不同气体的选择性吸附和渗透。

常用的聚合物膜材料包括聚丙烯、聚氨酯、聚醚酯等。

这些材料具有良好的膜形态稳定性和气体分离性能。

无机材料膜除了聚合物膜，无机材料膜也被广泛应用于气体膜分离。

无机材料膜通常具有更好的化学和热稳定性，适用于处理高温、高压气体。

常见的无机材料膜包括硅膜、石墨烯膜、陶瓷膜等。

这些材料具有良好的气体分离性能和长寿命。

操作条件气体膜分离的操作条件对分离效果有重要影响。

压力压力是气体膜分离中重要的操作参数。

增加进料气体的压力可以增加分离效果，因为压力差会促进气体分子渗透膜的速率。

温度温度对气体分子的扩散速率有重要影响。

一般来说，提高温度可以促进气体分子在膜上的扩散和渗透，从而增强分离效果。

但是，过高的温度可能导致膜材料的性能衰减。

膜面积膜面积也对气体膜分离的效果有影响。

增加膜面积可以增加分离效率和处理能力。

可以通过增加膜片数量或增大膜的尺寸来增加膜面积。

应用领域气体膜分离技术具有广泛的应用领域。

气体纯化气体膜分离可以用于气体纯化过程，将混合气体中的杂质气体分离出来，得到纯净的气体。

例如，将混合气体中的二氧化碳分离出来，可以得到高纯度的氮气。

这在工业和实验室中都有广泛应用。

气体分离气体分离是气体膜分离的主要应用之一。

通过调整操作条件和膜材料的选择，可以实现对不同气体组分的分离。

第九章气体分离膜第一节概述气体膜分离过程是一种以压力差为驱动力的分离过程，在膜两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率不同，渗透速率快的气体在渗透侧富集，而渗透速率慢的气体则在原料侧富集。

气体膜分离正是利用分子的渗透速率差使不同气体在膜两侧富集实现分离的。

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，发现了不同种类气体分子透过膜的速率不同的现象，首先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，并提出了现在广为人知的溶解—扩散机理。

虽然在100多年前就发现了利用膜实现气体分离的可能性，但由于当时的膜渗透速率很低，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，未能引起产业界的足够重视。

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，得到氧浓度为32%~36%的富氧空气。

1954年 D.W.Bubaker和K.Kammermeyer发现硅橡胶膜对气体的渗透速率比乙基纤维素大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试验，并进行了工业规模的设计，采用三级膜分离从天然气中浓缩氦气。

同年美国Du Pont公司首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突破是在70年代末，1979年美国的Monsanto公司研制出“Prism”气体膜分离裝置，“Prism”装置采用聚砜-硅橡胶复合膜，以聚砜非对称膜中空纤维作为底膜，在其中空纤维外表面真空涂覆一层致密的硅橡胶膜。

聚砜底膜起分离作用，底膜的皮层仅有0.2μm左右，远比均质膜薄，因此其渗透速率大大提高；硅橡胶涂层起到修补底膜皮层上的孔缺陷的作用，以保证气体分离膜的高选择性。