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气体分离膜 | 结构、机理与评价 | 研究表征方法分享

阅读次数:1348    发布时间:2025/1/7 13:52:17

上一个视频我们在聊CCUS时提到,气体分离的方法主要分为吸附法和膜法,BSD-MAB为吸附法气体分离评价装置,而BSD-MAB&M为“吸附法+膜法”气体分离评价装置。(相关阅读 CCUS技术 | 碳捕集/利用/封存 | 研究表征方法分享

吸附法,大家比较熟悉,像GC气相色谱,就是一个*常见的吸附法分离装置,混合气体经过色谱柱或穿透柱,在柱端出口各个组分得到分离。 

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而“膜法”,对其熟悉的科研人员并不多,我们来聊一下“膜法”气体分离的核心关键“气体分离膜”。 

我们先认识一下气体分离膜,对其有个直观感受。这两种实验室大家常用到的气体管路,就是可以认为是气体分离膜。 

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PU管这种管路可以选择性的让空气中的水蒸气透过,而氮氧无法通过,即使管路内部是高压的高纯气体,空气中的水蒸气也可以源源不断的透过管壁进入管路内部,而造成高纯气体被污染,是不是很神奇? 

聚四氟乙烯管这种管路可以让氢气透过,管路内即使氢气压力低于大气压,氢气也可以源源不断的渗透到大气,发生氢泄漏。 

以上两种情况都属于特定气体的渗透现象,注意不是漏气,而这种现象,也造成了实验室自搭装置容易出现气体不纯的重要原因,在气体性质不确定时,建议使用不锈钢管。

我们说回气体分离膜。 

通过以上两个例子,让我们了解到这种“反向压力下”的气体流动,其实就是膜法气体分离现象。 

那么,膜法气体分离的机理是什么呢? 

即在分压差或浓度差驱动下的气体渗透。 

大家注意是“分压差”或“浓度差”,而不是“总压差”,这也就是为什么气体会选择性“反压力流动”,也就是说,气体分离的核心机理不是日常见到的在气压力差下的气体流动,而是在分压差或浓度差下  的气体渗透。 

那么了解了该机理,假如我们是气体分离膜的研发设计人员,如果让我们来开发设计气体分离膜,我们该注意什么呢? 

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如果说我们需要在施加一定的总压力,通过增加分压差或浓度差来提高气体分离效率,就需要气体分离膜具有一定的强度,那么我们则可以将渗透分离层负载在支撑层上,即我们需要支撑层。 

另外,增大气压差会增加能耗,另外对分离膜的强度要求较高,那么,还有一种增加分离效率的方法,可以避免这两个问题,那就是设计增加选择性吸附富集层。 通过多孔材料的选择性吸附,增大膜高浓度侧待分离组分的浓度,大幅增加膜两侧的浓度差,从而大幅提升分离效率。 

以上就是气体分离膜受关注度较高的复合膜的核心的三层结构。到这里,我们就对气体分离膜有了一个基础的了解。 

那么以上三层结构的分析测试评价相关的仪器有哪些? 

“吸附富集层”性能的表征包括吸附容量(BSD-660M)、吸附动力学性能(BSD-VVS&DVS)、选择吸附性能(BSD-MAB)等;“渗透分离层”性能的表征包括气体分离膜选择性、渗透压、渗透速率等(BSD-MAB&M);“支撑层”性能的表征包括通孔孔径(BSD-PB)、气体通量及气体渗透率等。 
希望该内容能够给各科研人员提供参考,如果有关心的问题或话题,可以留言讨论,欢迎交流,批评指正。

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