正交实验法PEI气体分离膜制备条件的优化

1、正交试验法PEI气体分离膜制备条件的优化张玲玲 贺高红膜科学与技术研发中心 1报 告 内 容 提 要气体分离膜的发展概况气体膜分离原理气体分离膜的制备方法正交试验的应用2气体分离膜的发展概述膜分离技术发展第一次飞跃膜分离技术发展第二次飞跃Monsanto公司成功开发用于氢气分离的Prism中空纤维N2/H2复合分离膜，并用于从合成氨驰放气(1979)，炼气厂和其他石油化工排放气中回收氢（Du Pont公司采用熔融纺丝技术为高压氢的应用生产出内径为36um的聚酯中空纤维膜（1977年）美国通用电气公司将多层薄膜压在一起解决了针眼问题，并在支撑层上形成分离层，为以后的复合膜打下基础Monsanto

2、公司提出了“稳定复合”或“塞孔膜”的革命概念，巧妙的用薄的硅酮橡胶涂层覆盖，从而消除了对皮层固有的溶解-扩散选择性的影响Loeb和Sourirajan开发出第一张整体皮层非对称膜（1960年）P.Mears进一步研究了玻璃态聚合物的透气性，扩宽了膜材料的选择范围（1954年）Nollet最先观察到水会自发的扩散穿过猪膀胱进入到酒精中（1748年）Mitchell系统的研究了天然橡胶的透气性，发表了用高聚物膜分离氢和二氧化碳混合物的报告（1831年）C.Schonbein发明了第一张半合成膜硝化纤维素膜（1846年）T.Graham提出了气体透过橡胶膜的机理，在解释渗透过程方面迈出了重要的步骤（

3、1886年）3国外主要气体膜分离器厂家及市场概况（2000年）公司用的主要膜材料组件类型主要市场/估计销售额Permer(Air Products）Medal(Air Liquide)Generon(MG Industries)IMS(Praxair)聚砜聚酰亚胺/聚芳酰胺四溴聚碳酸酯聚酰亚胺中空纤维中空纤维中空纤维中空纤维均系大的 气体膜分离公司氮/空气；0.75亿美元/年氢分离；0.25亿美元/年KvaernerSeparex(UOP)Cynara(Natco)醋酸纤维素醋酸纤维素醋酸纤维素螺旋卷式螺旋卷式中空纤维大部系天然气分离0.30亿美元/年Parker-HannifinUbeGKS

4、S LicenseesMTR聚苯醚聚酰亚胺硅橡胶硅橡胶中空纤维中空纤维板框式螺旋卷式蒸汽/气体分离空气脱湿及其他0.25亿美元/年4气体分离膜的主要市场预测销售情况膜分离系统2000年销售额（百万美元）预测销售额（百万美元）2010年2020年氮气（来自空气）氧气（来自空气）氢气天然气CO2NGLN2/H2O蒸汽/氮气蒸汽/蒸汽空气脱湿75125301010015100106060201030203012530150100502560100100合计1553407605小 结 由此可见，在三大气体分离技术中，气体膜分离技术是最晚实现工业化的。虽然如此，气体膜分离技术因其常温操作、装置简单、能耗

5、低而分离效率高被认为是21世纪最有发展前途的高新技术之一。6气体膜分离原理多孔膜的微孔扩散机理非多孔膜的溶解扩散机理溶解吸附膜内扩散解吸脱附非多孔膜7气体分离膜的制备方法气相凝胶法蒸发凝胶法热凝胶法湿法制膜干法制膜干湿法制膜湿湿双浴法制膜8干湿法制膜过程示意图9膜性能的评价10正交试验的应用 试验设计是数理统计学科的一个分支，它主要是研究如何收集数据以供统计推断之用。为研制新产品、改革工艺条件、试验新品种，达到提高产品产量和物理性能，降低成本的目的。合理安排试验，能减少试验次数，缩短时间，获得有效结果。11正交试验法优化制膜条件 正交试验因素的确定 极差分析方差分析结果分析12 水平AB CP

6、EI浓度/% 蒸发时间/s 水温/ 1 23 0 10因素水平表 2 25 10 17 3 28 30 25 4 30 60 3013极差分析 根据极差分析结果可以确定因素间的主次关系及最优水平组合，粗略说明各因素诸水平间的差别，但不能确切判断各因素间的交互作用，也不能估计误差及说明分析的精度。其公式如下：14S总方差分析 式中：m表示各水平的重复数，n表示总试验组数，S表示偏差平方和，f表示自由度，V表示均方误差。S总SA+SB+SC+S误1516验证重复实验结果17的方差分析18 J的方差分析19结 论影响膜性能的主要因素为聚合物浓度，其次是凝胶浴温度，再次是蒸发时间。制备PEI气体分离膜的较佳制备条件为：PEI浓度为28、蒸发时间为10 s、凝胶浴温度为17。由于只考