膜分离技术课程论文—谭鹏峰,化工1001班

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1、氢气膜分离技术概述南京工业大学化学化工学院化工1001班谭鹏峰0引言首先，我之所以选修《膜分离技术》这门课，是因为南京工业大学的膜所享誉国内外，对于膜的研究十分专业深入，同时与其相关的开发和应用也十分的出色，作为一名工大学子，即使未来的研究内容与其没有太大关联（本人保送到陈苏老师课题组），也应该有最起码的知道和了解。其次，我去年暑假留校一个多月参与创新基金，在金万勤教授的课题组做相关实验，学习到了利用渗透汽化原理来制备无水乙醇，因此也加深了我对膜技术的兴趣。另外，我之所以选择对氢气膜分离技术进行一个概述，是因为膜的分离过程有很多，如反渗透、超滤、微滤、渗析、电渗析、气体膜分离、渗

2、透汽化以及其他膜分离过程[1]。任意选出其中一个过程来进行概述，内容也远远超出论文范畴，所以我选择了气体膜分离。同时，气体膜分离也有对各种气体的分离，范围仍然太广，所以我选择了当今研究比较热门、应用也相对成熟的氢气膜分离，这样既可以控制篇幅，在论述的深度上也有了把握，避免大而泛之。还有一个原因促使我去概述氢气膜分离，那就是今年暑假我们留校参加了全国大学生化工设计竞赛，在设计《年产10万吨丁醇项目》的过程中，我们使用了氢气膜分离技术用以回收驰放气中的氢气，所以我查阅过相关文献并实现了软件模拟，并对其较为了解。原先我们想使用膜所的黄彦教授的透氢钯复合膜技术，但是和黄教授探讨之后，我们

3、放弃了这个想法，原因是钯复合膜的成本问题目前没有解决，限制了其工业化发展，最后我们使用了材料为高分子聚合物的PRISM中空纤维膜分离器。但是为了凸显我们南京工业大学在氢气膜分离技术方面的研究成果，我将透氢钯复合膜也作为了一个重点进行概述。因此，我将对气体膜分离中的氢气膜分离进行一个概述，并主要集中于氢气膜分离的分类、原理、制备和应用这四方面，我的思路结构如下图所示。图1思路结构说明1背景氢气是化学工业的重要原料，广泛应用在石油化学工业，化肥工业和电子工业，同时氢气也是最清洁的一种能源它的燃烧产物只有水，不会产生环境的污染，用氢气作燃料可以避免其他化石燃料所引起的环境问题。因此，世

4、界各国对氢气的需求量在逐年增长，这也促进了制氢技术及分离净化氢气技术的发展[2]。氢的分离有膜法、变压吸附(PSA)法、深冷分离法等，其中膜分离技术具有投资省、占地少、能耗低、操作方便等特点[3]。到目前为止，氢气膜分离技术是开发应用得最早，技术上最成熟，取得的经济效益十分显著的气体膜分离技术。本文简要地介绍氢气膜分离的分类、原理、制备及应用。2氢气分离膜的分类根据制备材料的不同，氢气分离膜可分为下面四种：1.聚合物膜，2.金属膜，3.陶瓷膜，4.碳膜[4]。后三种也被称作无机膜，无机膜又可根据制膜的原料分为金属膜和陶瓷膜，也可分为微孔膜和致密膜。2.1聚合物膜用聚合物膜分离气体

5、是一个已经成熟的技术[5]。用聚合物膜从含有氮气、一氧化碳和碳氢化合物的混合物中分离氢气已经工业化[6]。聚合物膜属于致密型膜，进一步可分为玻璃膜和橡胶聚合物膜。玻璃膜具有较高选择性但通量较低，橡胶聚合物膜具有较高的通量而选择性较低。聚合物膜的操作温度一般不超过70℃，聚酰亚胺可在100℃下长期使用。聚合物膜的费用较小，能够经受较大的压降，这些都是聚合物膜的优点，但机械强度差，容易溶胀和收缩，容易受到一些气体(HCl，SOx，CO2等)的腐蚀。目前广泛用于氢气分离的聚合物材料主要是聚酰亚胺和聚砜。2.2无机膜金属、分子筛和陶瓷是制备无机膜的主要材料。用致密的金属膜尤其是钯或者钯合

6、金膜可以分离氢气得到高纯氢，氢气的纯度可到达99.99%。用于氢气分离提纯的金属膜可以分为许多种类型：1.纯金属：钯、钒、铌、钽和钛；2.钯和另外金属的合金：钯与铜、钯与银、钯与钇、钯与金、钯与镍等；3.复杂的合金：钯与其它3-5种金属形成合金；4.无定型合金：一般指第Ⅳ和Ⅴ族金属；5.涂层金属：一般是钯涂在钽、钒等金属上。由于制备纯钯膜费用较高，负载型钯膜成为近来的研究的热点，这种金属膜能够降低原材料成本，同时也可增加氢气的渗透性。多孔玻璃和多孔陶瓷具有光滑的表面，是这种金属膜常用的支撑体，但这种支撑体的机械稳定性较差。不锈钢也可被用作钯金属膜的支撑体，主要是因为不锈钢具有良好

7、的机械稳定性，热膨胀系数也和钯接近，金属膜受热时钯膜不会和不锈钢脱离。金属合金膜或金属膜在分离提纯氢气时可能受混和气中的CO、H2S等气体的影响，降低分离性能，而陶瓷膜则不会受这些气体的影响。微孔陶瓷膜的孔径一般小于2nm。对于陶瓷微孔膜来说，氢气的通量正比于操作压力，而对于金属钯膜来说氢气的通量则是和压力的平方根成正比，另外在高温时，微孔膜具有良好的性能，因此微孔陶瓷膜更适用于高压、高温操作的分离系统，更重要的是制备陶瓷膜时不需要贵金属费用较低。微孔无机膜的缺点是氢气的回收纯度