膜分離技術(shù)論文

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1、脫除與濃縮二氧化碳的膜分離技術(shù)一.背景自1979年美MMonsanto公司第一個(gè)將氣體膜分離裝置成功應(yīng)用于從工業(yè)氣體屮回收氫以來(lái)，氣體膜分離技術(shù)發(fā)展迅速，該技術(shù)目前己成功應(yīng)用于N2/H2、N2/02（富氧、富氮）等分離中。近幾年來(lái)，在環(huán)保、工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防等方面的需求下，C02分離已逐漸引起許多膜分離工作者的興趣并在這方面做了大量工作。從工業(yè)廢氣（如發(fā)電廠燃料廢氣）巾脫除C0。和S02,膜分離技術(shù)由于能耗最低、無(wú)廢渣、廢液等二次污染以及操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)很有可能取代傳統(tǒng)的氣體吸收或吸附。在工業(yè)生產(chǎn)上，該技術(shù)可應(yīng)用于從天然氣、沼氣

2、屮脫除C02,以提高天然氣、沼氣的燃值與等級(jí)，這是一個(gè)很有潛力的B大市場(chǎng)。國(guó)防上，潛艇及空間站等密閉環(huán)境中C0、的脫除也是一個(gè)相當(dāng)重要的課題，膜技術(shù)相比于初始的堿金屬氧化物、過(guò)氧化物等非再生物質(zhì)以及吸附、化學(xué)吸收等可再生方法具有明顯的優(yōu)越性，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家己在積極研宂用膜技術(shù)來(lái)脫除C02的可行性。二.膜分離技術(shù)可用于C02脫除與濃縮的膜技術(shù)主要有以下3類：（1）液膜技術(shù)；（2）固體膜技術(shù)，包括多孔無(wú)機(jī)膜和具有特定基團(tuán)的無(wú)孔聚合物膜；（3）膜分離與其它過(guò)程相結(jié)合的雜化膜過(guò)程，包括與電化學(xué)方法相結(jié)合的無(wú)機(jī)膜分離過(guò)程以及膜基氣體

3、吸收。眾所周知，評(píng)價(jià)氣體分離用膜的好壞主要有3個(gè)參數(shù)：選擇性、滲透速率和壽命。1.液膜技術(shù)（支撐液膜或靜置液膜）根據(jù)制膜的不同，液膜可分為乳化液膜、支撐液膜。對(duì)混合氣體中co2的脫除與濃縮的研宄主要集中在支撐液膜及其改進(jìn)型HFCLM。乳化液膜主要涉及液體中有川物質(zhì)的回收與濃縮以及有毒有害物質(zhì)的脫除與濃縮，與氣體分離基本無(wú)關(guān)。支撐液膜由膜液和聚合物膜支掙體構(gòu)成。膜液A含有載體，載體與C02反應(yīng)使C02溶解于膜液屮并形成“促進(jìn)傳遞”形式的物質(zhì)，在壓力差、濃度差等化學(xué)位差的推動(dòng)下，C02與裁體反應(yīng)生成的物質(zhì)便穿過(guò)膜，在膜的另一側(cè)

4、將C02釋放出來(lái)。由于液膜中氣體擴(kuò)散系數(shù)一般比在聚合物膜中大幾個(gè)數(shù)量級(jí)且酸性氣體C0。與載體的酸堿反應(yīng)使得這種膜具有很高的滲透速率和選擇性。最早利用支撐液膜的促進(jìn)傳遞進(jìn)行C02/02分離的是W.J.Ward,載體采用HC0:r/0-。脫除混合氣屮的C02的原理如閣所示，脫除(：02后的混合氣髙壓髙Pco2(低CO:邊爾分?jǐn)?shù))co22HC0；—?2HC0-H20-+誠(chéng)一+H：0cor+CO2co2(a)支撐液膜分離C02示意圖(b)C02的促進(jìn)傳遞圖1支榫液膜脫除混合氣中CQz的原理示意圖C02低壓低Axh(髙C02摩爾分?jǐn)?shù)

5、)*-co2迅雷提醒與載體再摸中發(fā)生如下反應(yīng)CO2+H2O#H++HCO3一COz+OHHCO3'HCQ^H++CO^其屮(1)、(2)為慢速反應(yīng)，反應(yīng)(3)為瞬間反應(yīng)，這樣的液膜促進(jìn)傳遞可使C02/02的分離系數(shù)達(dá)1500。當(dāng)膜液屮加入亞砷酸鈉后，反應(yīng)(1)、(2)加快進(jìn)行，增加了C02的滲透速率，而02的滲透速率基本不變，這樣C02/02的分離系數(shù)就可達(dá)到4100,其中C0:的滲透系數(shù)為214XlO^cm3(STP)?cm/(cm'?s?cmHg),O2的滲透系數(shù)為0.052X109cm3(STP)?cm/(cm2?s

6、?cmHg),通過(guò)此膜可將載人航天器中的C02脫除并富集。上述支掙液膜具有如此優(yōu)越的性能而又未能實(shí)用化的根本原因在于液膜的穩(wěn)定性差。由于液膜僅靠毛細(xì)管力吸附在支撐膜的微孔當(dāng)膜兩側(cè)存在一定的壓力差，則液膜容易從微孔內(nèi)流失從而導(dǎo)致支撐液膜性能下降。A.M.Neplenbroek在研究支撐液膜分離液體組分時(shí)指出，由于橫向剪切力導(dǎo)致的乳液生成是液膜流失的一個(gè)重要原因。為此而在支撐膜微孔內(nèi)形成均勻的凝膠網(wǎng)狀物，稱為凝膠支撐液膜，可以顯著增強(qiáng)液膜的機(jī)械穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。由于網(wǎng)狀物的敞式結(jié)構(gòu)，滲透流量下降很小。另外，在料液側(cè)生成一層致

7、密的凝膠層，可以明顯抑制乳液滴的生成，液膜穩(wěn)定性大大提高。支撐膜微孔內(nèi)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及表面致密的凝膠層可以有效防止液膜流失，而且可以大大提高支撐液膜的機(jī)械穩(wěn)定性、這在分離氣體諸如C0。等時(shí)也很重要，是研宄支撐液膜分離0)2并將其實(shí)用化的一個(gè)重要研宂方向。K.Okabe研宄了分離C02用的水凝膠膜的穩(wěn)定性，將VAC(乙烯醇與丙烯酸鹽的共聚物)紡絲涂層到聚四氟乙烯微孔膜上，加熱使之形成交聯(lián)層。交聯(lián)層吸收了K2C03水溶液后即為水凝膠膜。C02的滲透速率為lCAnol/(m2*Pa)，在6個(gè)月內(nèi)幾乎不下降，當(dāng)進(jìn)料氣中含10%CO。和

8、90%隊(duì)時(shí)，C0：.與N：的分離系數(shù)為100?500。用支撐液膜分離氣體的缺點(diǎn)是氣體會(huì)被液膜物質(zhì)所飽和，因此膜相液體一般不使用具有高蒸氣壓的物質(zhì)。此外，為了避免液膜在氣相中蒸發(fā)變于，與膜接觸的氣體必須預(yù)先增濕?！鼍W(wǎng)體膜技術(shù)（無(wú)孔聚合無(wú)孔膜包拈非對(duì)稱膜（表層與底層為同一種材料）和復(fù)合膜（選擇性膜層與支撐層