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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。
气体分离膜的分类成员：陈永涛，忽浩然，苗玉淇，张岩磊，李龙飞⏹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。
分类⏹一：按照其化学组成⏹二：按膜组件分⏹三：按气体膜分离的机理分⏹四：按气体分离膜的应用分按照其化学组成，气体分离膜材料可分为高分子材料、无机材料和有机—无机杂化材料1.高分子材料在气体分离膜领域，早期使用的膜材料主要有聚砜、纤维素类聚合物、聚碳酸酯等。
上述材料的最大缺点是或具有高渗透性、低选择性或具有低渗透性、高选择性，使得以这些材料开发的气体分离器的应用受到了一定限制，特别是在制备高纯气体方面，受到变压吸附和深冷技术的有力挑战。
为了克服上述缺点，拓宽气体分离膜技术的应用范围，发挥其节能优势，研究人员一直在积极开发兼具高透气性和高选择性、耐高温、耐化学介质的新型气体分离膜材料，聚酰亚胺、含硅聚合物、聚苯胺等就是近年开发的新型高分子气体分离膜材料。
2.无机材料相对于有机高分子膜，无机材料由于其独特的物理和化学性能，具有耐高温、结构稳定、孔径均一、化学稳定性好、抗微生物腐蚀能力强等优点。
它在涉及高温和有腐蚀性的分离过程中的应用方面具有有机高分子膜所无法比拟的优势，具有良好的发展前景。
无机膜的不足之处在于：制造成本相对较高，大约是相同膜面积高分子膜的10倍；无机材料脆性大，弹性小，需要特殊的形状和支撑系统；膜的成型加工及膜组件的安装、密封(尤其是在高温下)比较困难。
⏹有机-无机集成材料⏹发展有机和无机集成材料膜，是取长补短，改进膜材料的一种好方法。
分子筛填充有机高分子膜是在高分子膜内引入细小的分子筛颗粒以改善膜的分离性能。
分子筛填充聚合物膜结构与一般聚合物复合膜结构相似，存在一个多孔支撑层，上面涂敷一层薄的高性能选择分离层，只是其选择分离层含有大于40%紧密填充的分子筛或沸石等无机材料的高性能聚合物薄层。
气体分离膜的发展历程
气体分离膜是一种应用广泛的薄膜技术，用于分离气体混合物中的不同气体成分。
其发展历程可以追溯到20世纪60年代。
早期的气体分离膜采用的是纯聚合物材料，如聚乙烯、聚丙烯等。
然而，这些材料的气体分离性能较差，限制了其应用范围。
随着技术的不断进步，新型气体分离膜材料不断涌现。
例如，聚醚酰亚胺(Polyetherimide，PEI)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate)，PMMA)、聚氨酯(Polyurethane，PU)等材料被广泛应用于气体分离领域，其气体分离性能得到了明显提高。
此外，随着纳米技术的发展，纳米孔材料也成为了气体分离膜的研究热点。
例如，石墨烯、金属有机框架材料等纳米孔材料，由于其高度可控的结构性能和出色的气体分离性能，成为了气体分离膜材料的重要发展方向之一。
总之，气体分离膜的发展经历了多个阶段，从早期的纯聚合物材料到现代的新型材料和纳米孔材料，其气体分离性能和应用范围得到了不断提高和扩展。
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气体分离膜的研究气体分离膜是一种利用膜过滤技术实现气体分离的新型分离技术。
它采用特定的材料制成薄膜，通过膜的微孔作用，实现对某种气体分子的选择性透过和排除，从而实现气体的分离纯化。
气体分离膜是一种高效、节能、环保的气体分离技术，被广泛应用于石油、化工、电子、食品等领域。
一、气体分离膜的原理气体分离膜是利用”筛分作用“实现气体分离的。
所谓筛分作用，就是通过膜材料的微孔和孔径选择性地让某种分子在膜内透过，而不让其他分子透过，从而达到分离的目的。
在具体应用中，单位面积膜材料的透气量即气体分离的效率。
二、气体分离膜的种类气体分离膜主要分为两大类：1.多孔性平膜分离气体。
多孔性平膜的优点在于孔径比较大，并且分布比较均匀，适合于分离小分子气体。
缺点是需要膜面面积比较大，单膜分离效率不高。
2.非孔径性流动膜分离气体。
非孔径性流动膜的优点在于通透性好，透气量较大。
这种膜适合于分离大分子气体，但分离效率较低。
三、气体分离膜的制备方法气体分离膜的制备方法有两种：1.浸渍法。
这种方法比较常用，常用材料是聚酰胺、聚亚麻醇酯等。
这些材料可以通过浸渍到膜载体上制成膜。
2.拉伸法。
这种方法利用弹性膜材料，在拉伸时原本的孔隙会拉长变小，这样可以让大分子气体被过滤掉，从而实现分离。
四、气体分离膜的应用领域气体分离膜的应用非常广泛，主要包括以下几个领域：1.石油化工：气态分离、C2裂解、重烃分离等领域2.食品饮料：浓缩果汁、果汁的澄清等领域3.电子：纯化氨气、光学膜、液晶显示器等领域4.环保：二氧化碳的除去、废气治理等领域五、气体分离膜的发展趋势目前，气体分离膜的应用已经越来越广泛，而且分离效率也在不断提高。
未来，气体分离膜将会向以下几个方面发展：1.新材料的应用。
目前，常用的气体分离膜材料已经满足不了某些特定的需求。
因此，未来需要开发新的气体分离膜材料，例如金属有机框架材料、纳米材料等。
2.提高进料气体的纯度。
随着气体资源的日益紧缺和气体的需求日益增长，未来气体分离膜将会更注重进料气体的纯化和分离效率的提高。
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）。
气体分离膜工作原理气体分离膜是一种常用的分离技术，它利用薄膜材料的特殊性质，将气体混合物中的组分分离并纯化。
本文将介绍气体分离膜的工作原理，以及在工业和生活中的应用。
一、气体分离膜的工作原理气体分离膜是由具有特殊结构和性质的材料制成的。
这些材料一般被称为分离膜材料，可以是聚合物、陶瓷或金属。
在气体分离过程中，混合气体会通过膜材料，而不同成分的气体会以不同的速度通过膜材料，从而实现分离。
具体来说，气体分离膜的工作原理主要涉及两个传输过程：溶解和扩散。
首先，混合气体中的成分会溶解到膜的表面。
不同成分在膜表面的溶解度不同，从而导致浓度差异。
然后，气体成分会在膜材料中通过扩散作用，以不同速率向另一侧传递。
由于不同成分的扩散速率不同，最终达到分离的效果。
二、气体分离膜的应用气体分离膜技术广泛应用于工业和生活领域，下面将介绍其中几个主要应用。
1. 气体分离与纯化气体分离膜可以用于将混合气体中的特定成分分离和纯化。
例如，工业中常用的气体分离膜包括氧气浓缩膜、氮气浓缩膜和二氧化碳分离膜。
这些膜可以广泛应用于空分、气体净化和气体回收等领域，提高气体的纯度和回收率。
2. 膜制氢技术气体分离膜也被应用于膜制氢技术中。
这项技术可以通过分离氢气和其他气体来制备高纯度的氢气，用于燃料电池、化学加工和半导体制造等领域。
氢气分离膜需要具备高氢气通透性和选择性，以实现高效的氢气分离和纯化。
3. 气体分离与捕集气体分离膜还可用于气体分离与捕集，即将有害气体或有用气体从混合气体中分离出来。
例如，工业上利用气体分离膜来捕集二氧化碳，以减少碳排放并应对气候变化。
此外，气体分离膜也可用于分离和捕集甲烷、硫化氢等有害气体。
4. 膜反应器技术除了分离和纯化，气体分离膜还可用于膜反应器技术。
在这种应用中，气体分离膜被用作反应物与产物之间传质反应的介质。
这种技术在催化剂反应、氧化和还原反应中发挥着重要的作用，可以提高反应效率和选择性。
三、总结气体分离膜是一种重要的分离技术，在工业和生活中有着广泛的应用。
气体分离膜材料1 膜的发展历史人类对于膜现象有了初步认识是在1748 年，然而认识膜的功能到被挖掘，却经历了200 多年的漫长历程，才为人类服务。
人们在近几十年来，开始对膜进行科学研究。
其发展的历史大致为：30 年代微孔过滤；40 年代透析；50 年代电渗析；60 年代反渗透；70 年代超滤和液膜；80年代气体分离；90 年代渗透汽化。
同时以膜为基础的其它离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的复合应用也日益得到重视和发展。
1979 年将气体分离推向工业化应用的基础，是孟山都（Monsanto）公司用于H₂/N₂分离的低温制氮系统（Prism）的建立。
陶氏（Dow）化学公司在1985年向市场提供以富N₂为目的空气分离器，“Generon”气体分离用于天然气、石油、化工生产等领域，大大提高了气体生产过程的经济效益。
我国从1958年研究离子交换膜开始，80年代中期我国研究的气体分离膜取得长足进步，1985 年中国科学院大连化物所首次成功研制中空纤维N₂/H₂分离器，与国外同类产品主要的性能指标接近，现已投入批量生产。
2 气体分离膜材料2.1高分子膜材料高分子膜材料一般制备简单，性能稳定，耐溶剂性能较好，而广泛的应用于膜分离领域。
用于制备气体分离膜的高分子膜材料主要有以下几种。
1）乙基纤维素EC纤维素是一种较为常见的天然高分子材料，乙基纤维素是由碱纤维素和乙基卤化物反应得到，由于EC的热稳定性好、具有较强的抗生物性能，且气体气体的渗透系数和气体渗透选择性较高，常用作空气中的氧、氮分离富集。
2）双酚A型聚砜PSF双酚A型聚砜主链上含有砜基的一种线性杂链高分子膜材料，具有优异的热稳定性、力学性质和较强的刚性及较好的化学稳定性，耐蒸汽性能好，PSF的玻化温度（Tg）为190℃。
可用于制备复合膜的支撑层，合成氨尾气回收氢，目前已得到工业化生产。
3）聚芳醚砜PES聚芳醚砜分子中含有砜基，由于其共轭效应，具有良好的抗氧化性和热稳定性，同时具有良好加工性能的醚键，不含有对耐热性、抗氧稳定性有不利影响的异丙撑基，没有-C-C-链，不含有刚性极大的联苯结构，因而具有良好的耐溶剂性能。
气体分离膜的分离机理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述气体分离膜是一种重要的分离技术，它通过特殊的膜材料和适当的分离条件，实现了对气体混合物中不同成分的有效分离。
在工业和生活的许多领域中，气体的分离和纯化是一项至关重要的任务。
传统的方法如吸附、吸收和蒸馏等虽然能够实现气体的分离，但这些方法通常存在能耗高、流程复杂和成本昂贵等问题。
相比而言，气体分离膜技术具有许多优势。
首先，它是一种低能耗的分离方式，不需要加热或冷却等额外能源消耗。
其次，气体分离膜具有结构简单、操作方便和占地面积小的特点，可以很好地适应各种应用场景。
此外，气体分离膜的分离效果高、选择性好，能够实现对不同气体分子大小、极性和溶解度等差异的有效分离。
气体分离膜的应用范围十分广泛，包括但不限于石油化工、气体纯化、空分、生物医药、环境保护等领域。
例如，在石油化工行业中，气体分离膜可以用于乙烯和丙烯的分离，提高乙烯的纯度和收率。
在环境保护方面，气体分离膜可以应用于二氧化碳捕获和回收，在减少二氧化碳排放的同时节约能源资源。
本文将重点讨论气体分离膜的分离机理。
通过对气体分离膜分子结构和分离机制的深入研究，可以更好地理解膜材料在气体分离过程中的作用方式和原理。
同时，对于分离机理的探索也有助于开发设计更高效、选择性更好的气体分离膜材料，并为未来的技术发展提供指导和借鉴。
综上所述，气体分离膜技术是一项具有重要意义和广阔应用前景的分离技术。
通过深入研究气体分离膜的分离机理，我们可以更好地理解其工作原理，为气体分离膜的设计和应用提供理论基础和技术支持。
在未来的发展中，我们可以通过进一步优化膜材料和改进分离工艺，实现更高效、节能环保的气体分离过程。
1.2文章结构文章结构是论文的框架，它描述了文章的主要部分和各个部分之间的逻辑关系。
本文分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分旨在为读者提供关于气体分离膜的背景信息和研究重要性的概述。
其中，第1.1小节概述将简要介绍气体分离膜以及其在工业和环境领域的应用。
气体分离膜技术的研究现状与未来发展近年来，气体分离膜技术被广泛应用于气体纯化、制氢、天然气液化、二氧化碳捕集等领域。
该技术具有节能、高效、环保等特点，是未来化工工业转型升级的重要方向之一。
本文将从分离膜材料、分离机理和应用领域三方面探讨气体分离膜技术的研究现状与未来发展。
一、分离膜材料分离膜材料是气体分离膜技术的关键。
目前，气体分离膜材料主要包括有机膜、无机膜和复合膜。
有机膜材料常见的有聚亚砜、聚酰胺、聚醚酯等；无机膜材料常见的有硅基材料、金属有机骨架材料等；而复合膜是指将不同材料膜组合在一起形成复合膜的材料。
唯一问题是，目前分离膜材料的稳定性和选择性不足，能够分离的气体种类有限。
未来的发展方向是分离膜材料的研究和制备技术的不断提升，如研究选择性极强的材料、降低制备成本等，优化制备工艺和提高材料稳定性。
二、分离机理气体分离是指在分离膜材料的作用下，将混合气体中各种气体分离出来的过程。
常见的分离机理包括差异扩散法、吸附作用法、界面沸腾法等。
差异扩散法是指根据不同气体的扩散速度、理论扩散通量大小及跨膜压力等因素实现气体的分离。
吸附作用法是指在介孔材料/分离膜表面与气体分子之间的物理或化学作用下，实现气体的分离。
界面沸腾法是指将混合气体在膜界面处冷却，使其部分液化，从而实现气体分离。
未来，气体分离膜技术的分离机理的研究应当注重气体分子与膜材料之间的相互作用机理，以提高分离效率和选择性。
三、分离机器分离装置是实现气体分离的重要设备，其中以膜分离设备为主。
膜分离设备按照形状可分为板式、螺旋式、管式等；按照作用方式可分为压力型和浓度差型两大类。
压力型主要是指通过将前后两端形成高低压差使气体通过膜并分离的方法，浓度差型是指在外部创造气体浓度差，采用一定方式达到气体分离的方法。
未来，气体分离技术的发展方向是提高设备的可靠性、提高分离效率和降低能耗，开发具有高效分离性能、高稳定性和重复使用的分离机器。
总之，气体分离膜技术在化工行业具有广泛的应用前景。
气体分离膜材料的设计与开发气体分离技术是现代工业生产中的一项重要技术，它通过气体分离膜的使用，将混合气体中的不同组分分离出来，达到纯化气体的目的。
随着社会的发展和技术的进步，对气体分离膜材料的需求不断增加，这也促进了气体分离膜材料的设计和开发。
气体分离膜是一种多层组合薄膜，其核心部分是由一层或几层高分子材料组成的复合薄膜，其表面可以加工成不同形式的孔径和孔隙率，以实现特定气体的分离。
气体分离膜材料的设计和开发需要综合考虑多个因素，如膜的材料、层数、厚度、结构、成本等。
气体分离膜材料的选择是一个十分重要的环节。
目前，使用较为广泛的气体分离膜材料包括聚醚酯膜、聚砜膜、聚乙烯膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜等。
不同的材料在分离不同的气体中有其独特的优势和局限性。
因此，在选取气体分离膜材料时，需要根据实际需求对其进行科学合理的评估和选择。
气体分离膜的设计需要考虑膜的层数和厚度。
通常情况下，气体分离膜越厚，在分离某些气体时表现的效果越好。
但随着膜厚度的增加，成本也随之增加。
因此，在设计气体分离膜时需要综合考虑膜材料的厚度和分离效果，以达到成本和效果的平衡。
气体分离膜的结构也是一个需要考虑的因素。
气体分离膜在分离气体的过程中，需要保证膜的稳定性、透气性和结构合理性。
对于不同的气体分离膜，需要进行相应的结构设计，以保证其能够在实际生产中得到良好的应用。
气体分离膜的成本也是一个需要考虑的问题。
气体分离膜成本的高低取决于膜材料的价格、制备工艺、生产规模等多种因素。
要想设计出高性价比的气体分离膜，需要从多个角度出发，注重优化膜材料、工艺和生产成本等方面。
总而言之，气体分离膜材料的设计与开发是一个需要科学合理考虑多个因素的过程。
通过选取适合的膜材料、结构设计和优化制备工艺等多种手段，可以制备出性能优良、成本合理的气体分离膜。
这为现代工业技术的发展和工业生产的诸多领域提供了有力的技术支持。
气体分离膜材料1 膜的发展历史人类对于膜现象有了初步认识就是在1748 年,然而认识膜的功能到被挖掘,却经历了200 多年的漫长历程,才为人类服务。
人们在近几十年来,开始对膜进行科学研究。
其发展的历史大致为:30 年代微孔过滤;40 年代透析;50 年代电渗析;60 年代反渗透;70 年代超滤与液膜;80年代气体分离;90 年代渗透汽化。
同时以膜为基础的其它离过程,以及膜分离与其它分离过程结合的复合应用也日益得到重视与发展。
1979 年将气体分离推向工业化应用的基础,就是孟山都(Monsanto) 公司用于H₂/N₂分离的低温制氮系统(Prism)的建立。
陶氏(Dow) 化学公司在1985年向市场提供以富N₂为目的空气分离器,“Generon”气体分离用于天然气、石油、化工生产等领域,大大提高了气体生产过程的经济效益。
我国从1958年研究离子交换膜开始,80年代中期我国研究的气体分离膜取得长足进步,1985 年中国科学院大连化物所首次成功研制中空纤维N₂/H₂分离器,与国外同类产品主要的性能指标接近,现已投入批量生产。
2 气体分离膜材料2.1高分子膜材料高分子膜材料一般制备简单,性能稳定,耐溶剂性能较好,而广泛的应用于膜分离领域。
用于制备气体分离膜的高分子膜材料主要有以下几种。
1）乙基纤维素EC纤维素就是一种较为常见的天然高分子材料,乙基纤维素就是由碱纤维素与乙基卤化物反应得到,由于EC的热稳定性好、具有较强的抗生物性能,且气体气体的渗透系数与气体渗透选择性较高,常用作空气中的氧、氮分离富集。
2）双酚A型聚砜PSF双酚A型聚砜主链上含有砜基的一种线性杂链高分子膜材料,具有优异的热稳定性、力学性质与较强的刚性及较好的化学稳定性,耐蒸汽性能好,PSF的玻化温度(Tg)为190℃。
可用于制备复合膜的支撑层,合成氨尾气回收氢,目前已得到工业化生产。
3)聚芳醚砜PES聚芳醚砜分子中含有砜基,由于其共轭效应,具有良好的抗氧化性与热稳定性,同时具有良好加工性能的醚键,不含有对耐热性、抗氧稳定性有不利影响的异丙撑基,没有-C-C-链,不含有刚性极大的联苯结构,因而具有良好的耐溶剂性能。
PSF的玻化温度(Tg)为235℃,可在140℃高温下长时间使用,且具有较好的气体渗透选择性,常用作制备气体分离膜材料。
4)酚酞型聚醚酮PEK-C酚酞型聚醚酮为无定形高分子材料,玻化温度(Tg)为231℃,可以用于超滤、气体分离膜制备方面。
5)含氟聚酰亚胺聚酰亚胺就是一类耐热性能好、机械性能优异、化学性质稳定的高性能聚合物材料。
含氟聚酰亚胺在气体分离方面具有气体渗透速率快、选择性高的膜材料,常用于氧/氮、氢/氮、二氧化碳/氮或者二氧化碳/甲烷等气体的分离。
6)涤纶PET涤纶就是一种合成纤维,具有机械强度好、弹性高、耐热性能佳的材料,常用作气体分离、渗透汽化等平板膜组件与卷式膜组件的支撑材料。
7)聚碳酸酯PC聚碳酸酯就是一种分子链中含有碳酸酯基的线性高分子聚合物材料,由于两个苯撑基与中间的丙撑基限制了分子链的内旋,使得PC分子链具有较强的刚性,同时氧醚键的存在增加了基团的柔性,赋予PC材料较差的机械性能,但氧氮的渗透速率较高,所以可用于制备气体分离膜的高分子聚合物材料。
8)聚4-甲基戊烯-1 PMP聚4-甲基戊烯-1就是由丙烯二聚得到4-甲基戊烯-1,再经聚合得到PMP。
聚4-甲基戊烯-1具有优良的热稳定性与透气性,常用作制备气体分离膜的材料,其制备的气体分离膜材料氧氮的分离选择性已达到7~8。
9)聚丙烯腈PAN聚丙烯腈就是由丙烯腈单体经自由基聚合反应制得,PAN就是常用的微滤、超滤或渗透气化复合膜底膜材料。
10)聚乙烯醇PVA聚乙烯醇机械性能并不强,常用于制备渗透汽化膜材料,已投入实际生产。
11)聚偏氯乙烯PVDC聚偏氯乙烯气、液性能较低,热稳定较差,主要用作阻透气材料。
12)聚二甲基硅氧烷PDMS聚二甲基硅氧烷(硅橡胶)就是一种线性聚合物,机械性能较低,具有较高的气体渗透率,但气体选择性较低,常用于制备气体分离膜的底膜。
13)聚三甲硅基丙炔PTMSP聚三甲硅基丙炔就是一种玻璃态的无定形聚合物,气体透过速率均较高,但膜材料稳定性较差,在广泛应用上受到限制。
2、2无机膜材料无机膜就是通过加工无机材料制备得到的一种固态膜,分为陶瓷膜、沸石膜、玻璃膜、高分子金属络与物膜、金属膜、合金膜以及分子筛碳膜。
目前已用于制备无机膜的材料有陶瓷、玻璃、金属(如Pd、Pd合金、Ni、Ag、Pt)、金属氧化物(如Ti O₂、ZrO₂、Al₂O₃)、SiO₂及其硅酸盐、沸石等。
与高分子膜材料制备的有机膜相比,无机膜具有如下特点:1)热稳定性好,可在高温体系中应用,最高使用温度可达800℃,也可以高温消毒灭菌。
2)机械强度高,无机材料具有刚性且无机膜常用于载体膜,致使无机膜可承受较高的外压,而且可以进行反吹与反冲,具有较强的再生能力。
3)化学性能稳定,耐酸、碱、有机溶剂。
4)抗微生物能力好,不与微生物发生生化及化学反应,可用于生物医药领域。
5)无机膜的孔径较窄,气体透过选择性较高。
6)无机膜的使用寿命较长,可降低更换频率。
其不足在于制备无机膜成本较高,无机材料弹性小,比较脆,不易于膜的加工成型,同时陶瓷膜不耐酸、碱。
2、3有机-无机复合膜材料由于有机材料具有高柔性、可加工性、资源多及品种多,无机材料具有高强度、高韧性、高稳定性、高刚性等优点,于就是在20世纪80年代中期,许多研究者提出将无机材料添加到高分子聚合物膜材料中,而所选用的无机材料大部分为纳米级的粒子,制备兼具有机、无机气体分离膜优点的复合膜,无机纳米粒子负载在有机高分子聚合物中,也解决了纳米粒子在物理、化学方面的不稳定性,从而有利于从材料上改进复合膜的分离性能。
有机-无机纳米粒子复合膜除了兼具有机膜与无机膜的特点外,同时还具有以下特殊性能:a 无机纳米材料对有机高分子聚合物膜的改性,可以在保留无机材料的高强度的性质的同时,由于纳米粒子的小尺寸效应起到增加复合膜韧性的效果。
b 无机材料添加到高分子聚合物膜中,可以增强膜的强度与模量,而无机纳米材料可以在此基础上进一步提高复合膜的强度、模量。
c 纳米粒子的特殊性质,可以改变膜的性质,得到新的高性能的功能复合膜。
3 气体分离复合膜的制备及表征3、1 气体分离复合膜的制备无机纳米粒子粒径小、比表面积大,分散在聚合物基体中容易团聚,目前主要采用以下几种方法制备有机/无机气体分离复合膜。
1、共混法直接将经过处理的纳米粒子与高分子聚合物溶液或者单体混合,混合的形式可以就是溶液共混、乳液共混、熔融共混或者机械共混等。
此方法操作简单,容易控制组分浓度,适用于不同尺寸、形态的纳米粒子,不足之处就是纳米颗粒容易团聚,存在严重的相分离现象,不利于制备均匀的聚合物基纳米复合材料。
2、溶胶-凝胶法将高化学活性的硅氧烷或者金属盐等作为前躯体,溶于水或者有机溶剂,形成均质溶液,溶质发生水解、缩合反应,在溶液中生成纳米级粒子并形成稳定的溶胶体系,经过陈化,胶粒间缓慢聚合形成凝胶,再经干燥、烧结固化等方法制备成聚合物基纳米复合材料的方法。
溶胶-凝胶法可以在温与条件下进行,能够使纳米粒子在聚合物中分散均匀,但由于在凝胶干燥过程,可能会导致聚合物基纳米复合材料内部应力收缩,从而影响材料的力学与机械性能。
常见纳米颗粒对应前驱体见表2、1 所示。
2、1 常见无机纳米颗粒及其前驱体3、层间插入法具有层状结构的无机化合物如粘土、石墨、云母、层状硅酸盐、金属氧化物、磷酸盐等,经过有机化处理,利用其层间膨胀性、吸附性与离子交换功能,将聚合物(或单体)插入其中,制成聚合物基有机无机纳米复合材料,层状无机化合物粒子不易团聚,分散均匀,来源丰富。
层间插入法大致可以分为四种:溶液插层聚合、熔融插层聚合、聚合物熔融插层与聚合物溶液插层。
4、原位聚合法将经过处理的纳米粒子在聚合物单体中分散均匀,在一定条件下引发单体发生聚合,从而制得分散性好的聚合物基纳米复合材料。
原位聚合方式有原为本体聚合、乳液聚合、悬浮聚合与分散聚合等。
该法有效的改善无机纳米粒子易团聚的缺点,为制备高通量、高选择性、高模量、高强度的聚合物基纳米复合材料开辟了新道路,但原位聚合方法有很大的局限性,仅适用于含有金属、硫化物或者氢氧化物的胶体粒子。
5、辐射合成法将聚合物单体与金属盐在分子级别上均匀混合,制备成金属盐单体溶液,再利用钴源进行辐射,得到分散性均匀,粒径小的聚合物基无机纳米复合材料。
此法很适用于制备聚合物基金属纳米粒子复合材料。
6、静电纺丝法静电纺丝法就是将高分子聚合物、聚合物/纳米颗粒溶液置于高压静电场中,在高压静电的作用下产生正电荷,并在金属针头尖端形成泰勒锥形液滴,在电场作用下喷射出来,高分子聚合物、聚合物/纳米颗粒溶液中的溶剂迅速挥发,最终以纤维随机排列的无纺布状形式沉积在接收板上。
7、自组装法自组装法主要包括Langmuir-Buldgett(LB)膜法、Molecular-Deposition(MD)膜法与仿生合成等。
LB膜法就是利用具有疏水端与亲水端的两亲性分子在气-液(一般为水溶液)界面定向排列,制备聚合物/无机层交替的纳米复合材料。
MD 膜法就是采用与纳米粒子具有相反电荷的双离子或多聚离子化合物,利用阴阳离子静电相互作用,作为驱动力,制备出多层有机-无机纳米复合膜。
仿生合成就是使无机先驱物与有机自组装与溶液相界面发生化学反应,形成有机-无机复合材料。
3、2 气体分离复合膜的表征1、扫描电子显微镜(SEM)将一束高能入射电子轰击样品表面,得到样品中分布的纳米粒子的大小与形貌特征、纳米粒子在高分子聚合物集体中聚集状态。
2、透射电子显微镜(TEM)通过将电子束照射到样品室内的样品上,分析透过样品的电子束信息,获得样品内部结构信息,利用TEM可以观测到样品内部纳米粒子的形貌、分散情况及纳米粒子的粒径等信息,为研究提供了更有效的手段与依据。
3、原子力显微镜(AFM)在不需要对样品做任何特殊处理情况下,通过AFM 观测,可以得到样品的三维立体表面图。
4、傅立叶红外光谱(FT-IR)分析物质对不同波长的红外光的吸收情况,可以得到分子的键长、键角,从而推断分子的立体结构,按照光谱图中吸收峰的强弱推断组分含量。
5、X 射线衍射分析(XRD)利用晶体物质形成的X射线衍射,分析得到物质的晶粒度、晶体结构或层状硅酸盐的层间距。
XRD 可以在不损坏样品、无污染情况下,获得原子间的结合方式等大量信息。
6、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)根据物质对紫外、可见光的吸收,对吸收峰的进行分析,可以推断物质的组成、含量与结构的变化。
7、正电子湮没(RAS)可用于检测材料的微观结构、存在的缺陷等信息。
