第七章 气体分离膜及液膜

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第七章 气体分离膜与液膜1. 气体分离膜的分离机理 气体分离膜有两种类型： 气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔 它们的分离机理各不相同。 膜。它们的分离机理各不相同。 (1)非多孔均质膜的溶解扩散机理 ) 该理论认为， 该理论认为，气体选择性透过非多孔均质膜分 四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中， 四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解 的分子由于浓度梯度进行活性扩散， 的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另 一侧逸出。 一侧逸出。1

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气体分离膜根据这一机理，研究结论如下： 根据这一机理，研究结论如下： 1) 气体的透过量 与扩散系数 、溶解度系数 和气体 气体的透过量q与扩散系数 与扩散系数D、溶解度系数S和气体 渗透系数成正比。 渗透系数成正比。而这些参数与膜材料的性质直接 有关。 有关。 2) 在稳态时，气体透过量 与膜面积 和时间 成正比。 在稳态时，气体透过量q与膜面积 和时间t成正比 与膜面积A和时间 成正比。 3) 气体透过量与膜的厚度 成反比。 气体透过量与膜的厚度l成反比 成反比。

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第七章 气体分离膜扩散系数D和溶解度系数 与物质的扩散活化能 扩散系数 和溶解度系数S与物质的扩散活化能 和溶解度系数 ED和渗透活化能 p有关，而ED 和Ep又直接与分子大 和渗透活化能E 有关， 小和膜的性能有关。 小和膜的性能有关。这就是膜具有选择性分离作用的 理论依据。 理论依据。 高分子膜在其T 玻璃化温度)以上时， 高分子膜在其 g(玻璃化温度)以上时，存在链 段运动，自由体积增大。因此，对大部分气体来说， 段运动，自由体积增大。因此，对大部分气体来说， 在高分子膜的T 前后， 和 的变化将出现明显的转折 的变化将出现明显的转折。 在高分子膜的 g前后，D和S的变化将出现明显的转折。3

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气体分离膜在实际应用中， 在实际应用中，通常不是通过加大两 侧的压力差( )来提高q值 侧的压力差( p)来提高 值，而是采用增 加表面积A、增加膜的渗透系数和减小膜的 加表面积 、 厚度的方法来提高q值 厚度的方法来提高 值。

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气体分离膜(2)多孔膜的透过扩散机理 ) 用多孔膜分离混合气体， 用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流 过膜中细孔时产生的速度差来进行的。 过膜中细孔时产生的速度差来进行的。 流体的流动用努森( 流体的流动用努森(Knudsen)系数 n表示时， )系数K 表示时， 有三种情况： 属粘性流动； 有三种情况：Kn≤1 属粘性流动；Kn≥1 属分子流 属中间流动。 动；Kn ≌1 属中间流动。 多孔膜分离混合气体主要发生在K

时 多孔膜分离混合气体主要发生在 n≥1时，这 时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在细孔内壁 时气体分子之间几乎不发生碰撞， 间反复碰撞，并呈独立飞行状态。 间反复碰撞，并呈独立飞行状态。5

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气体分离膜按气体方程可导出气体透过多孔性分离膜的分 离效率为： 离效率为：α=M2 M 1

(7-1) )

此式说明，被分离物质的分子量相差越大， 此式说明，被分离物质的分子量相差越大，分 离选择性越好。 离选择性越好。 多孔膜对混合气体的分离主要决定于膜的结 而与膜材料性质无关。 构，而与膜材料性质无关。6

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气体分离膜2. 制备气体分离膜的材料 (1)影响气体分离膜性能的因素 ) 1)化学结构的影响 ) 通过对不同化学结构聚合物所制备的气体分离 膜的气体透过率P、扩散系数 和溶解系数 和溶解系数S的考 膜的气体透过率 、扩散系数D和溶解系数 的考 察，可得出化学结构对透气性影响的定性规律。从 可得出化学结构对透气性影响的定性规律。 可知， 增加。 表1可知，大的侧基有利于提高自由体积而使 增加。 可知 大的侧基有利于提高自由体积而使P增加7

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气体分离膜表1 某些聚合物材料的氧气透过率品种 聚乙烯 聚丙烯 聚异丁烯 1, 2—聚丁二烯 1, 4—聚丁二烯 3, 4—聚异戊二烯 1, 4—聚异戊二烯PO2 ×10-2 /kPa

品种Cl C C

PO2 ×10-2 /kPa

0.4 1.63 1.3 9.0 29.5 4.8 23.0

5.9

CH3 C C

7.5

CH3 C C C5H11

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气体分离膜2)形态结构的影响 ) 一般情况下， 一般情况下，聚合物中无定型区的密度小于晶 区的密度。因此气体透过高聚物膜主要经由无定形 区的密度。因此气体透过高聚物膜主要经由无定形 而晶区则是不透气的。 区，而晶区则是不透气的。这可以通过自由体积的 差别来解释。但对某些聚合物可能出现例外， 差别来解释。但对某些聚合物可能出现例外，如4甲基戊烯( 甲基戊烯(PNP)晶区的密度反而小于非晶区的密 ) 故其晶区可能对透气性能也有贡献。 度，故其晶区可能对透气性能也有贡献。

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气体分离膜聚合物分子链沿拉伸方向取向后， 聚合物分子链沿拉伸方向取向后，透气性和选 择性均有所下降， 择性均有所下降，如未拉伸的聚丙烯的 PO 和αO/N分 别为163kPa和5.37,经单向拉伸后变为 别为 和 ，经单向拉伸后变为111kPa和 和 5.00,经双向拉伸后则变为65kPa和4.38。 5.00,经双向拉伸后则变为65kPa和4.38。 高分子 …… 此处隐藏：1896字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……