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气体分离膜技术的发展历程
1831年,J.V.Mitchell系统地研究了天然橡胶的透气性,用高聚物膜进行了氢气和二氧化碳混合气的渗透实验,发现了不同种类气体分子透过膜的速率不同的现象,首先提出了用膜实现气体分离的可能性。1866年,T.Craham研究了橡胶膜对气体的渗透性能,并提出了现在广为人知的溶解—扩散机理。虽然在100多年前就发现了利用膜实现气体分离的可能性,但由于当时的膜渗透速率很低,膜分离难以与传统的分离技术如深冷分离法、吸附分离法等竞争,未能引起产业界的足够重视。
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膜渗透机理
优先吸附-毛细管流动模型:由于膜表面对渗透物的优先吸附作用,在膜的上游侧表面形成一层该物质富集的吸附液体层。然后,在压力作用下通过膜的毛细管,连续进入产品溶液中。此模型能描述多孔膜的反渗透过程。
从不可逆热力学导出的模型:膜分离过程通常不只依赖于单一的推动力,而且还有伴生效应(如浓差极化)。不可逆热力学唯象理论统一关联了压力差、浓度差、电位差对传质通量的关系,采用线性唯象方程描述这种具有伴生效应的过程,并以配偶唯象系数描述伴生效应的影响。
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膜的定义
以常见的超滤过程为例,分离机理主要为筛分:膜表面有微孔,流体流经膜一侧的表面时,部分较小的分子随部分溶剂穿过膜到达另一侧,形成透析液,而大分子则被截留在原来的一侧,形成截留液,从而达到了将大分子溶质与小分子溶质及溶剂分离开的目的。
形象地说,膜就像一张筛网,可以拦下大的、透过小的。但这张筛网与众不同的是它的孔径很小,进行的是大小分子的分离。我们只要选择合适孔径的膜,就可以进行所需的分子级分离。
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膜的种类
按微观结构分:
对称膜、不对称膜、复合膜、多层复合膜等。
按宏观结构分
平板膜、卷式膜、管式膜、毛细管膜、中空纤维等。
无论在实验室或工业规模的生产中,膜都被制成一定形式的组件作为膜分离装置的分离单元。在工业上应用并实现商品化的膜组件主要有平板型、圆管型、螺旋卷型和中空纤维型,相应的膜的几何形状分为平板式、管式、毛细管式和中空纤维式。后三种皆为管状膜,它们的差别主要是直径不同:直径>10mm的为管式膜;直径在0.5~10mm之间的是毛细管式膜;直径<0.5mm的为中空纤维膜。管状膜直径越小则单位体积里的膜面积越大。
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