脫除與濃縮二氧化碳的膜分離技術(shù)（課堂PPT）

1、12自1979年美國Monsanto公司第一個將氣體膜分離裝置成功應(yīng)用于從工業(yè)氣體中回收氫以來，氣體膜分離技術(shù)發(fā)展迅速，該技術(shù)目前已成功應(yīng)用于N2H2、N2O2(富氧、富氮)等分離中近幾年來，在環(huán)保、工業(yè)生產(chǎn)、國防等方面的需求下，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)中脫除C02和SO2，膜分離技術(shù)由于能耗最低、無廢渣、廢液等二次污染以及操作簡便等優(yōu)點很有可能取代傳統(tǒng)的氣體吸收或吸附。3在工業(yè)生產(chǎn)上，該技術(shù)可應(yīng)用于從天然氣、沼氣中脫除C02，以提高天然氣、沼氣的燃值與等級，這是一個很有潛力的巨大市場。國防上，潛艇及空間站等密閉環(huán)境中C0

2、2的脫除也是一個相當(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，美國等發(fā)達(dá)國家已在積極研究用膜技術(shù)來脫除CO2的可行性。4(1)液膜技術(shù)(2)固體膜技術(shù)，包括多孔無機膜和具有特定基團(tuán)的無孔聚合物膜；(3)膜分離與其它過程相結(jié)合的雜化膜過程，包括與電化學(xué)方法相結(jié)合的無機膜分離過程以及膜基氣體吸收。5支撐液膜由膜液和聚合物膜支撐體構(gòu)成。膜液內(nèi)含有載體，載體與C02反應(yīng)使C02溶解于膜液中并形成“促進(jìn)傳遞”形式的物質(zhì)，在壓力差、濃度差等化學(xué)位差的推動下，C02與載體反應(yīng)生成的物質(zhì)便穿過膜，在膜的另一側(cè)將C02釋放出來。乳化液膜主要涉

3、及液體中有用物質(zhì)的回收與濃縮以及有毒有害物質(zhì)的脫除與濃縮，與氣體分離基本無關(guān)。6最早利用支撐液膜的促進(jìn)傳遞進(jìn)行C02O2分離的是W.J.Ward，載體采用HC03-O-。 7CO2與載體再摸中發(fā)生如右反應(yīng)：其中(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C02O2的分離系數(shù)達(dá)1500當(dāng)膜液中加入亞砷酸鈉后，反應(yīng)(1)、(2)加快進(jìn)行，增加了C02的滲透速率，而O2的滲透速率基本不變，這樣C02O2的分離系數(shù)就可達(dá)到4100，其中C02的滲透系數(shù)為21410-9cm3（STP)cm/(cm2scmHg)，O2的滲透系數(shù)為0.05210-9 cm3（STP)cm/(cm2

4、scmHg)，通過此膜可將載人航天器中的CO2脫除并富集。8A.M.Neplenbroek在研究支撐液膜分離液體組分時指出，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，可以顯著增強液膜的機械穩(wěn)定性和長期穩(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械穩(wěn)定性、這在分離氣體諸如C02等時也很重要，是研究支撐液膜分離C02并將其實用化的一個重要研究方向。9K.O

5、kabe研究了分離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10-8mol(m2sPa)，在6個月內(nèi)幾乎不下降，當(dāng)進(jìn)料氣中含10C02和90N2時，C02與N2的分離系數(shù)為100500。用支撐液膜分離氣體的缺點是氣體會被液膜物質(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。10非對稱膜(表層與底層為同一種材料)復(fù)合膜(選擇性膜層與支撐層為不同的材料) 其分離機制是根據(jù)不同氣體在固體聚合物中的溶解、擴(kuò)散

6、的差異而使得不同氣體通過聚合物膜的滲透速率不同?？捎糜跉怏w分離的聚合物種類很多，但目前研究較多且適合用于C02分離的膜材料主要有：聚酰亞胺類、醋酸纖維素。已商業(yè)化的用于C02分離的膜基本上都是非對稱膜(如UBE公司的聚酰亞胺膜)，其底層為多孔支撐結(jié)構(gòu)，表層則為致密層。11膜基氣體吸收是膜技術(shù)與氣體吸收技術(shù)相結(jié)合的新型雜化膜分離過程。它采用中空基質(zhì)膜作為支撐體，使氣體與吸收液的接觸面積顯著增大(約為6001 200 m2m3)，克服了氣液兩相直接接觸所帶來的夾帶現(xiàn)象，同時也解決了空間站失重狀態(tài)下氣液兩相分離困難的問題。A.B.Shelekhin等采用這種技術(shù)(吸收劑為單乙醇胺)對天然氣的實驗室處

7、理顯示了C02CH4的選擇性系數(shù)可高達(dá)3000，同時也顯示了這種技術(shù)是一種極具潛力的天然氣精制方法。12NASA對這種技術(shù)進(jìn)行了初步鑒定，認(rèn)為這種技術(shù)對從密閉的空間艙(模擬)內(nèi)脫除C02是可行的，在N2、O2的濃度基本不變的情況下，處理30min后C02濃度降低到零，不僅達(dá)到了NASA的C02分壓不超過400 Pa(3 mmHg)的要求，而且證明了應(yīng)用這種技術(shù)時C02對N2、O2具有很高的選擇性。13一般認(rèn)為，二氧化碳濃度越高，聚合物膜法分離C02CH4就越比其它分離技術(shù)(如氣體吸收法、深冷法)經(jīng)濟(jì)。當(dāng)要求處理后C02濃度低于1時(如空間站或潛艇中)，可采用具有高選擇性和高滲透性的分離技術(shù)，如液膜技術(shù)、膜基氣體吸收技術(shù)或吸收劑與C02專一反應(yīng)的電化學(xué)無機膜氣體分離技術(shù)。液膜因其穩(wěn)定性差而未能實用化，但其相比于固體膜的顯著優(yōu)越性能(如選擇性高)已引起許多學(xué)者的注意。提高支撐液膜的穩(wěn)定性、降低液膜的有效厚度以提高其滲透速率是其實用化的必由之路。14利用無機膜比較窄的孔徑分布、耐高溫、高壓