天津工业大学——膜制备工艺

Basic principle for MGS
气体膜分离：依靠不同气体分子透过膜的速 率不同，使气体分子得以分离。 气体透过膜的速率与膜结构和膜材料有关。 气体分离机理主要与膜结构有关。
（1） 在多孔膜中的渗透机理
分子平均自由程 膜孔径 r/λ≤1，努森扩散
气体流量：
Gmol 8r P 1-P wk.baidu.com 3L 2 MRT
按来源分：天然膜（Nature membrane） 合成膜（Synthetic membrane） 人工膜
（Artificial membrane）
按材料分：高分子膜 （Polymeric membrane） 无机膜（Inorganic membrane） 杂化膜 （Hybrid membrane）
1 Q MT K exp 1 / KT KT 1
2

当膜的孔径比分子筛的略大 (为0.1～0.2 nm)时，凝聚性 气体将在孔内产生毛细管凝
MGS development
domestic development status
始于二十世纪八十年代初，化学所、长春应化所、兰州化学 物理研究所及大连化学物理研究所共同攻关，进行高分子膜 富氧及PS中空纤维膜研究。 1985年，PS中空纤维膜器研制成功。 1987年，卷式富氧膜器膜研制成功。 目前存在的主要差距：产品单一，性能有待提高；开发力度 不够。 研究的主要方向：开发膜材料、研究成膜理论、优化工艺。
12

k T 2 d 2 p
r
努森扩散 Knudsen diffusion mechanism
单位面积气体透量： 分离系数：
12
q
4 2 RT p1 p2 r LRT 3 M
1 2
M2 M1
235UF / 238UF 6 6
分子平均自由程： 膜孔径
《膜分离工程》
Membrane gas separation
丁晓莉
材料科学与工程学院 中空纤维膜材料及膜过程国家重点实验室培育基地
State Key Laboratory of Hollow Fiber Materials and Processes
2013-11-13
Contents
MGS development Characteristics for MGS Basic principle for MGS Material and fabrication of GSM Characterization of GSM Application and prospect of MGS Questions
表面
非对称膜 （Asymmetric membrane)
Loeb型膜
复合膜
按结构分 平板膜 （Plate membrane）
中空纤维膜（Hollow fiber membrane）
管式膜 （Tubular membrane）
•按功能分：
富氢膜（Hydrogen enriched membrane） 富氧膜（Oxygen enriched membrane） 富氮膜（Nitrogen enriched membrane） 气体除湿膜（Gas dehumidification membrane） 脱气膜（Degas membrane） -----
按结构分 多孔膜 （Porous membrane）
非多孔膜（ Non-porous membrane ）
多孔膜 对称微孔膜（Symmetric microporous membrane）
该方向是否对称
非对称微孔膜 （Asymmetric microporous membrane)
对称膜 Symmetric membrane 非多孔膜 （均质致密膜 Dense homogeneous membrane）
MGS development
1829年，Graham开始研究气体在聚合物膜中的传递现象。 1831年，J.V. Mitchell发现气体能透过橡胶膜，首先揭示了 用膜实现气体分离的可能性。 1866年， T. Graham 提出了气体透过橡胶膜的机理（溶解扩散）。 二十世纪五十年代起，大量的气体分离膜应用研究展开。 二十世纪七十年代，GE开发了硅酮橡胶（或硅酮橡胶/聚碳 酸酯共聚物）板框式膜组件，用于家庭用医用富氧系统。 1977年，Du Pont公司制造了均质聚酯中空纤维膜，克服通 量不足的问题。 1979年，美国Monsanto公司研制出“prism”气体分离膜，使 气体膜分离第一次真正工业化，也是膜技术发展的第二次飞 跃。

3 (RT ) 2 P 2M
1 2
r
λ / r≤1，黏性流
气体流量：
黏性流 Poiseuille flow mechanism
Gvis
r2 P 1-P 2 16 LuRT
r 2 p1 p2 p1 p2 单位面积气体透量： q 8 LRT
分离系数：
12
2 1
r/λ与细孔透过量的关系
大气压下分子自由程 一般在100-200 nm， 为取得良好的分离效 果，，膜孔孔径在50 nm以下。
总流量
黏性流
渗透速率 1 2 5 1/Kn （r/λ）
分子流
表面扩散流 Surface diffusion
如果分子吸附在孔壁上，那么分子 将沿孔壁表面移动，产生表面扩散流。 通常沸点低的气体易被孔壁吸附，表面 扩散显著，而且操作温度越低，孔径越 小，表面扩散越明显。在表面扩散流存 在的情况下，气体流过膜孔流量由气相 流(一般是Knudsen扩散)和表面扩散流 叠加组成。气体通过膜孔的流量为：
Characteristics for MGS
1. 气体膜分离（GS）的分离目的：富集或贫化一种物质的流 体。 2. 气体膜分离过程的推动力：浓度梯度(分压差)。 3. 气体分离膜分类： 按相态分：固态膜（Solid membrane） 液态膜（Liquid membrane）
气态膜 （Gas membrane）