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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
7.5
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
2. 气体分离膜的应用领域 气体分离膜是当前各国均极为重视开发的产品， 气体分离膜是当前各国均极为重视开发的产品， 已有不少产品用于工业化生产。如美国Du Pont公司 已有不少产品用于工业化生产。如美国 公司 用聚酯类中空纤维制成的H 气体分离膜， 用聚酯类中空纤维制成的 2气体分离膜，对组成为 70％H2，30％CH4，C2H6，C3H8的混合气体进行分 ％ ％ 可获得含90％ 的分离效果。 离，可获得含 ％H2的分离效果。
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气体分离膜
此外，富氧膜大部分可作为 分离膜使用， 此外，富氧膜大部分可作为CO2分离膜使用， 若在膜材料中引入亲CO2的基团，如醚键、苯环 的基团，如醚键、 若在膜材料中引入亲 可大大提高CO2的透过性。同样，若在膜材料 的透过性。同样， 等，可大大提高 中引入亲SO 的亚砜基团（如二甲亚砜、 中引入亲 2的亚砜基团（如二甲亚砜、环丁砜 ），则能够大大提高 则能够大大提高SO 等），则能够大大提高 2分离膜的渗透性能和分 离性能。 离性能。具有亲水基团的芳香族聚酰亚胺和磺化聚 苯醚等对H 有较好的分离作用 有较好的分离作用。 苯醚等对 2O有较好的分离作用。
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液膜
2）表面活性剂 ） 表面活性剂是分子中含有亲水基和疏水基两个 部分的化合物，在液体中可以定向排列， 部分的化合物，在液体中可以定向排列，显著改变 液体表面张力或相互间界面张力。表面活性剂是制 液体表面张力或相互间界面张力。 备液膜的最重要的组分， 直接影响膜的稳定性、 备液膜的最重要的组分，它直接影响膜的稳定性、 渗透速度等性能。在实际使用中， 渗透速度等性能。在实际使用中，表面活性剂的选 择是一个较复杂的问题， 择是一个较复杂的问题，需根据不同的应用对象进 行实验选择。 行实验选择。
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气体分离膜
2）O2的分离富集 ） 制备富氧膜的材料主要两类： 制备富氧膜的材料主要两类：聚二甲基硅氧烷 （PDMS）及其改性产品和含三甲基硅烷基的高分 ） 子材料。 子材料。 PDMS是目前工业化应用的气体分离膜中 PO 最 是目前工业化应用的气体分离膜中 高的膜材料，美中不足的是它有两大缺点： 高的膜材料，美中不足的是它有两大缺点：一是分 离的选择性低，二是难以制备超薄膜。 离的选择性低，二是难以制备超薄膜。
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气体分离膜
（2）制备气体分离膜的主要材料 ） 根据不同的分离对象， 根据不同的分离对象，气体分离膜采用不同的材 料制备。 料制备。 1）H2的分离 ） 美国Monsanto公司 公司1979年首创 年首创Prism中空纤维 美国 公司 年首创 中空纤维 复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。 复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。其材料主 要有醋酸纤维素 聚砜、聚酰亚胺等 醋酸纤维素、 要有醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺等。其中聚酰亚 胺是近年来新开发的高效氢气分离膜材料。 胺是近年来新开发的高效氢气分离膜材料。它是由 二联苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的， 二联苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有 抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。 抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。
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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。
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气体分离膜
此外，富氧膜、分离 此外，富氧膜、分离N2，CO2，SO2，H2S等气 等气 体的膜，都已有工业化的应用。例如从天然气中分 体的膜，都已有工业化的应用。例如从天然气中分 离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分离 2或 离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分离N CO2，从烟道气中分离 2、从煤气中分离H2S或 从烟道气中分离SO 从煤气中分离 或 CO2等等，均可采用气体分离膜来实现。 等等，均可采用气体分离膜来实现。
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。
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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。 高分子的交联对透气性影响的一般规律是随交 高分子的交联对透气性影响的一般规律是随交 联度的增加，交联点间的尺寸变小， 联度的增加，交联点间的尺寸变小，透气性有所下 但对尺寸小的分子，如氢气和氦气等， 降。但对尺寸小的分子，如氢气和氦气等，透气性和特点 液膜分离技术是1965年由美国埃克森（Exssen） 年由美国埃克森 液膜分离技术是 年由美国埃克森（ ） 研究和工程公司的黎念之博士提出的一种新型膜分 研究和工程公司的黎念之博士提出的一种新型膜分 离技术。直到80年代中期 奥地利的J. 年代中期， 离技术。直到 年代中期，奥地利的 Draxler等科 等科 学家采用液膜法从粘胶废液中回收锌获得成功， 学家采用液膜法从粘胶废液中回收锌获得成功，液 膜分离技术才进入了实用阶段。 膜分离技术才进入了实用阶段。 液膜是一层很薄的液体膜。它能把两个互溶的、 液膜是一层很薄的液体膜。它能把两个互溶的、 但组成不同的溶液隔开， 但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜的选择性 渗透作用实现物质的分离。 渗透作用实现物质的分离。根据形成液膜的材料不 液膜可以是水性的，也可是溶剂型的。 同，液膜可以是水性的，也可是溶剂型的。
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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。
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液膜
2. 液膜的组成与类型 （1）液膜的组成 ） 1）膜溶剂 ） 膜溶剂是形成液膜的基体物质。 膜溶剂是形成液膜的基体物质。选择膜溶剂主 要考虑膜的稳定性和对溶剂的溶解性。 要考虑膜的稳定性和对溶剂的溶解性。为了保持膜 的稳定性，就要求膜溶剂具有一定的粘度 具有一定的粘度。 的稳定性，就要求膜溶剂具有一定的粘度。膜溶剂 对溶质的溶解性则首先希望它对欲提取的溶质能优 对溶质的溶解性则首先希望它对欲提取的溶质能优 先溶解，对其他欲除去溶质的溶解度尽可能小。 先溶解，对其他欲除去溶质的溶解度尽可能小。当 然膜溶剂不能溶于欲被液膜分隔的溶液， 然膜溶剂不能溶于欲被液膜分隔的溶液，并希望膜 溶剂与被其分隔的溶液有一定的相对密度差（ 溶剂与被其分隔的溶液有一定的相对密度差（一般 要求相差0.025 g/cm3）。 要求相差
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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。