摘要:由於對分離膜的偏愛, 我經過一個星期的搜索總結資料, 查閱了大量書籍, 最終選定了氣體分離膜作為課題來寫這篇文獻檢索。在此文中, 我總結了氣體分離膜的使用原理, 它包括:分子流、黏性流、表面擴散流、分子篩篩分機理、毛細管凝聚機理, 溶解-擴散機理、氣體在橡膠態聚合物中的傳遞、氣體在玻璃態聚合物中的傳遞和雙吸附-雙遷移機理等。膜和膜組件的分類及特點, 還有氣體膜分離系統設計, 最後, 簡要介紹了氣體膜的現實應用。
氣體分離膜的原理:
在壓力驅動下, 藉助氣體中各組分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜內溶解-擴散上的差異, 及滲透速率差來實現對某種氣體的濃縮和富集。滲透速率高的氣體常被稱為「快氣」,而滲透速率低的氣體組分被稱為「慢氣」,因它較多的滯留在原料氣體側而成為剩餘氣。「快氣」、「慢氣」不是絕對的, 而是針對不同的氣體組成而言。氣體透過膜是一種比較複雜的過程。
氣體分離膜的原理一般來說, 使用材質不同, 其分離的機理也不同。在多孔膜中的滲透機理包括:分子流、黏性流、表面擴散流、分子篩篩分機理、毛細管凝聚機理等。
氣體分離膜設備的實現方式：
氣體膜分離過程是一種以壓力差為驅動力的分離過程，在膜兩側混合氣體各組分分壓差的驅動下，不同氣體分子透過膜的速率不同，滲透速率快的氣體在滲透側富集，而滲透速率慢的氣體則在原料側富集。氣體膜分離正是利用分子的滲透速率差使不同氣體在膜兩側富集實現分離的。
氣體分離膜技術的發展歷程
1831年，J.V.Mitchell系統地研究了天然橡膠的透氣性，用高聚物膜進行了氫氣和二氧化碳混合氣的滲透實驗，發現了不同種類氣體分子透過膜的速率不同的現象，首先提出了用膜實現氣體分離的可能性。1866年，T.Craham研究了橡膠膜對氣體的滲透性能，並提出了現在廣為人知的溶解—擴散機理。雖然在100多年前就發現了利用膜實現氣體分離的可能性，但由於當時的膜滲透速率很低，膜分離難以與傳統的分離技術如深冷分離法、吸附分離法等競爭，未能引起產業界的足夠重視。
從20世紀50年代起，科研工作者開始進行氣體分離膜的應用研究。1950年S.Weller和W.A.Steier用乙基纖維素平板膜進行空氣分離，得到氧濃度為32%~36%的富氧空氣。1954年D.W.Bubaker和K.Kammermeyer發現矽橡膠膜對氣體的滲透速率比乙基纖維素大500倍，具有優越的滲透性。1965年S.A.Stern等為從天然氣中分離出氦進行了含氟高分子膜的試驗，並進行了工業規模的設計，採用三級膜分離從天然氣中濃縮氦氣。同年美國Du Pont公司首創了中空纖維膜及其分離裝置並申請了從混合氣體中分離氫氣、氦氣的專利。
我國的氣體分離膜成果：
氣體膜分離技術的真正突破是在70年代末，1979年美國的Monsanto公司研製出「Prism」氣體膜分離裝置，「Prism」裝置採用聚碸-矽橡膠複合膜，以聚碸非對稱膜中空纖維作為底膜，在其中空纖維外表面真空塗覆一層緻密的矽橡膠膜。聚碸底膜起分離作用，底膜的皮層僅有0.2μm左右，遠比均質膜薄，因此其滲透速率大大提高;矽橡膠塗層起到修補底膜皮層上的孔缺陷的作用，以保證氣體分離膜的高選擇性。「Prism」氣體膜分離裝置自1980年商業應用以來，至今已有上百套裝置在運行，用於合成氨弛放氣中氫回收和石油煉廠氣中氫回收。
氣體分離膜的優勢和前景：
膜分離技術具有能耗低、操作簡單、裝置緊湊、佔地面積少等優點，因此氫分離膜、富氧、富氮膜相繼研製成功，並應用於市場，有力地促進了氣體膜技術的發展。其應用越來越廣泛，對它的研究也日益深入。