气体膜分离的进展及前景

气体膜分离的进展及前景气体膜分离的进展及前景摘要：本文介绍了气体膜分离技术的膜的材料共有高分子膜材料、无机膜材料、有机与无机集成膜材料、金属膜材料四种，以及对气体膜分离技术的发展前景展望。关键词：气体膜分离；高分子膜材料；无机膜材料；有机与无机集成膜材料；金属膜材料■*刖言气体膜分离技术始于20世纪后半期，是利用原料混合气中不同气体对膜材料具有不同渗透率，以膜两侧气体的压力差为推动力，在渗透侧得到渗透率大的气体富集的物料，在未渗透侧得到不易渗透气体富集的分离气，从而达到气体分离目的。该技术同传统的分离技术相比，具有投资少、设备简单、能耗低、使用方便和易于操作、安全、不污染环境等特点，是世界各国特别关注的高新科技领域中研究开发的重点之一。本文主要介绍了当前气体膜分离技术的进展，以及对未来气体膜分离技术发展趋势的探讨。正文1.气体膜分离技术用膜材料膜材料是发展膜分离技术的关键问题之一。理想的气体分离膜材料应该同时具有高的透气性、良好的透气选择性、高的机械强度、优良的热和化学稳定性以及良好的成膜加工性能。但在实际工业应用中，往往很难找到能同时满足以上要求的膜材料。目前气体分离用膜材料主要有高分子膜材料、无机膜材料、有机与无机集成膜材料、金属膜材料。1.1高分子膜材料气体分离高分子膜结构是非对称的或复合膜，其膜表皮层为致密高分子层。膜的渗透特性主要取决于膜皮层所用高分子材料的特性，膜的渗透量反比于渗透传递距离。因此，高分子气体分离膜开发主要集中于膜材料和超薄皮层制造技术的发展。纤维素衍生物类、聚烯烃类、聚砜类、聚酰胺类、聚酰亚胺类、聚酯类、乙烯类聚合物、含硅聚合物、含氟聚合物和甲売素类等可作为气体分离膜材料。其中，前三类为早期工业用的气体分离膜用材料。研究发现它们存在透气性较差的特点，使得这些材料开发的气体分离膜器的应用受到一定限制。聚酰亚胺（PI）作为膜分离材料，以其优良的机械性能和热稳定性在许多混合气体体系的分离中得到了应用，如H2\N2、O2\N2、H2\CH4、CO2\N2、CO2\N2、CO2\CH4等的分离［123］。1.2无机膜材料无机膜属固态膜的一种，是由无机材料、无机高分子材料制成的半透膜。无机膜包括致密膜和多孔膜，多孔膜的结构有对称机构和非对称机构两种。玻璃、氧化锆、陶瓷膜、碳膜、沸石已应用于商业多孔无机膜材料。其它如氮化硅、氧化锡、云母和碳化硅等，也被应用于多孔无机膜材料。致密膜对氢和氧选择性很高，但致密膜的应用由于比多孔膜的渗透性差而受到限制。与有机膜相比，无机材料制成的膜具有机械强度大、寿命长、化学和热稳定性好、分离效率高、孔径分布窄、抗微生物能力强操作简便等优点。如陶瓷膜可用于高温气体的净化，可耐腐蚀、耐高温和化学降解；玻璃膜生产工艺简单，可制备超微细孔径（＜1nm）的分离膜，单位体积过滤面积大。但也存在膜易碎、加工成本高、装填面积小、高温密封困难等缺点。目前主要应用于一些高分子膜所无法应用的领域，如高温、高压、强腐蚀性环境中，所以采用无机膜进行高温气体净化更具实用性。[4.5]1.3有机与无机集成膜材料有机聚合物膜是目前在气体膜分离过程应用规模较大的一种膜材料。由于聚合物的选择性较高，所以采用不同的制模条件和工艺，可以制得不同分离范围和对象的膜，但也存在不耐高温、抗腐蚀性差等弱点。而无机陶瓷膜具有热稳定性、化学稳定性好，耐有机溶剂、强酸、强碱，且不被微生物降解，不老化、寿命长等特点，但制造成本相对较高，大约为10倍相同面积的高分子膜。另外，无机陶瓷膜质地脆弱，需要特殊的形状和支撑系统。由此可见，发展有机和无机集成材料膜，是一种取长补短来改进膜材料的好办法。1.4金属膜材料金属膜材料主要是稀有金属，以钯及其合金为代表，主要用于H2的分离。钯膜对氢具有很高的选择性，已用于加氢、脱氢及脱氢氧化等过程中。因纯钯在多次吸附和解吸循环中有变脆的趋势，一般采用钯合金。1.5其他的新型膜分离材料现有公司正在筹备将一种碳制成的中空纤维膜应用于商业化的气体分离。这种膜以分子尺寸分离气体，适用于多种用途。2.气体膜分离技术的发展趋势2.1不断开发研制高效的气体分离膜材料研究发现，大多数聚合物都存在渗透性和选择性相反的关系。聚合物的选择性加强，渗透量就减少，不足于维持大规模的生产需要。因此，开发渗透通量大、选择性又较大的新型膜材料，已成为研究的重点［6］。如上文提到的聚酰亚胺（PI）便是一种比较理想的材料。2.2积极开发膜组件组合及优化目前市场上的膜组件有空心纤维膜组件、卷绕式膜组件及垫套式膜组件等等，各种膜组件的性能都不错，但都存在各自的缺陷。例如，螺旋卷绕式膜组件的粘合技术较低，粘合宽度的减少等等。因此，必须不断地加以改进及优化，使得高科技产品和先进的生产工艺相结合，从而推动我国膜分离技术的发展。2.3发展集成分离技术任何一种分离技术都有其技术边界和经济边界，在某些特定的分离对象和条件下优势最明显，膜分离技术也是同样。采用膜分离技术与其他技术集成，实现最优的工艺组合和最低的经济投资是气体膜分离技术发展的方向，同时也扩大了气体膜分离技术应用的领域和适用范围。例如，采用膜精馏、固体脱硫和膜法脱水相结合，对天然气进行外输前的净化处理。另外，采用膜分离和冷凝法相结合，来净化和回收有机蒸汽中的卤代烃。膜分离与光催化反应相结合，去除有机物⑹。2.4拓展应用领域气体膜分离技术在提氢、膜法富氧、膜法富氮等技术已成功实施工业化应用基础上，向天然气净化、水蒸气、二氧化碳和有机蒸汽分离方面发展⑹，并应从已有的处理高压、高浓度、简单组分向低压、微量、高温、复杂组分的方向发展。将应用领域从目前的废旧资源的回收利用扩展至环境保护、工业制气及净化等领域。结束语气体膜分离技术由于具有能耗低、投资省、操作方便等优点，已广泛应用于天然气的分离净化，空气中富氧、浓氮，有机气体分离等石油、化工领域，并取得了良好的经济效益，是一种高效且经济的分离方法。参考文献：SternSA,etal.Strueture/PermeabilityRelationshipsofPolyimideMembranes,ApplicationstotheSeparationofGasMixtures.J.PolymerSei.,PartB,1989,27下1807MatsumotoKenji,etal.GasPermeationofAromaticPolyimides.I.RelationshipbetweenGasPermeabilitiesandDielectrieConstants.J.Membr.Sei.,1993,81:1521Preparatioandcharacterizatiotfhigh-fluxpolysulfonehollowfibergasseparationmembranes[J].JMemberSci,2002,204:247-256.“Ultramicroporous”ica)asedsurportedinorganicmembranes[J].JMemberSci,1993,77:165-179UhlbornRJ,etal.GasSeparationwithInorganicMembranes.InorganicMembranesSynthesisCharacteristic