氣體膜技術(shù)研究進展

劉慶祥 張文水

(山東科技大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，山東 青島 266590)

1 氣體分離膜

1.1 壓差驅(qū)動分離

(1)有機高分子膜。由于各種膜的結(jié)構(gòu)與化學(xué)特性的不同，想用統(tǒng)一的理論解釋滲透的復(fù)雜過程是不可能的。因而我們通過2種較為典型的膜分離過程介紹其機制。一是多孔膜，其主要利用各類氣體透過多孔膜細孔的速率差異進行分離。二是非多孔膜，其首先與氣體接觸，然后氣體向膜的表面溶解，導(dǎo)致膜兩側(cè)出現(xiàn)壓力差，從而使得氣體向膜外擴散，實現(xiàn)氣體的分離。目前主要應(yīng)用于海水淡化、污廢處理、醫(yī)療、食品、農(nóng)業(yè)、化工等各方面。

(2)無機膜。顧名思義，其由無機材料制成的半透膜，分為致密膜與與多孔膜2大類：一是致密膜，通過氫的溶解機理透過氫或者離子傳導(dǎo)的機理透過氧，從而達到分離的目的；二是多孔膜透過機制與有機高分子膜的多孔膜類似。無機膜技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)趨于成熟，應(yīng)用已經(jīng)擴展至食品工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油化工等領(lǐng)域。

1.2 濃度差分離

(1)滲透蒸發(fā)。滲透蒸發(fā)與常規(guī)膜分離方式不同，其滲透過程中會出現(xiàn)由液相到氣相的相變，當(dāng)分離物透過膜時，在膜兩側(cè)的蒸氣分壓的作用下，液體混合物部分地蒸發(fā)，從而達到分離目的的一種分離技術(shù)。目前主要應(yīng)用于石油化工、精細化工、醫(yī)藥化工等工業(yè)領(lǐng)域。

(2)蒸汽滲透。介于滲透蒸發(fā)與氣體膜分離之間的一種新型膜分離技術(shù)，其原理是利用各組分在膜內(nèi)的溶解與擴散能力的不同，在蒸汽分壓差所產(chǎn)生的推動力下，實現(xiàn)混合物的分離。蒸汽滲透技術(shù)在制藥、食品、環(huán)境工程等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

(3)液膜分離。液膜分離是一種新型膜分離技術(shù)，其原理利用液膜選擇性高與通量大的特點，分別在膜的兩側(cè)進行萃取與反萃取，溶質(zhì)萃取入膜，擴散到膜的另一側(cè)，再被反萃取，進而實現(xiàn)分離。目前，此技術(shù)主要應(yīng)用于氣體分離、金屬分離濃縮即蛋白質(zhì)氨基酸的分離研制工作。

(4)膜吸收分離。膜吸收分離是由膜基氣體分離與物理吸附、化學(xué)吸收、低溫精餾與深冷分離結(jié)合的新型分離技術(shù)。其基本機理氣體與吸收液在微孔膜的兩側(cè)流動，利用吸收液的選擇吸收性吸收氣體中的某一部分來達到分離的目的。目前主要應(yīng)用于氣體污染處理、油田環(huán)境保護等方面。

1.3 溫差驅(qū)動分離

膜蒸餾是利用高分子膜上的某些結(jié)構(gòu)的功能來達到蒸餾目的一種新型膜分離技術(shù)，由于壁面溫度的不同，分為冷側(cè)與暖側(cè)，借助這種溫度差，促使暖側(cè)產(chǎn)生的水蒸氣透過膜到達冷側(cè)，并在冷壁表面冷凝下來，從而實現(xiàn)了分離的目的。目前應(yīng)用于海水淡化、廢水處理、反滲透水處理。

2 氣體反應(yīng)膜

2.1 惰性反應(yīng)器

顧名思義，其膜本身為惰性，不具有催化反應(yīng)的功能，而只起到分離作用的反應(yīng)系統(tǒng)，通常可以分為一體式與分體式2種。

2.2 催化膜反應(yīng)器

(1)無機催化膜反應(yīng)器。氫分子在膜的表面被解離吸附，電離成質(zhì)子與電子，在低氫分壓側(cè)，質(zhì)子從金屬格子中接受電子變成吸附氫原子，結(jié)合后變成氫原子脫離。只有被解離吸附成為質(zhì)子狀態(tài)的氫才能透過，而不能變成質(zhì)子的其它氣體不能透過。目前主要應(yīng)用于石油化工、食品等工業(yè)領(lǐng)域。

(2)有機催化膜反應(yīng)器。有機催化膜反應(yīng)器分為酶膜生物反應(yīng)器與膜生物反應(yīng)器。酶是一種由細胞產(chǎn)生的具有高效催化能力的蛋白質(zhì)(大部分)，由于其是水溶性物質(zhì)，不易從產(chǎn)生的母液中分離出來進行循環(huán)，增加了許多成本。而酶膜生物反應(yīng)器用膜將酶封閉起來或者將其制成不溶于水的形態(tài)，使酶不隨反應(yīng)的進行而損耗，實現(xiàn)反應(yīng)與分離的一體化。目前有機催化膜反應(yīng)器主要應(yīng)用于食品領(lǐng)域、醫(yī)藥領(lǐng)域、污水處理。

膜生物反應(yīng)器是一種由膜過濾取代傳統(tǒng)生物處理中沉淀池的生物處理技術(shù)。目前主要用于下水道污水、糞便污水、垃圾滲濾液等廢水的處理。

3 氣體傳感膜

3.1 化學(xué)傳感器

利用各種氣體化學(xué)性質(zhì)的不同，在計算機上顯示圖像的不同，判斷氣體類型以及環(huán)境的各項參數(shù)。

3.2 模式氫濃度傳感器

模式氫濃度傳感器是每個氣體處理工作者必備的檢測儀表，其利用氫氣濃度傳感器的工作電極、對電極與參考電極在電催化劑的作用下，根據(jù)電極之間電流計的讀數(shù)算出氫氣的濃度。

3.3 高分子膜光纖氣體傳感器

當(dāng)傳感器的探頭與待測氣體接觸時，其中敏感膜的化學(xué)性能會發(fā)生變化，根據(jù)此變化量可以測定氣體的濃度。由于其響應(yīng)快、操作便利、環(huán)境耐性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在化學(xué)、生物、工業(yè)控制領(lǐng)域。

4 能量轉(zhuǎn)換膜

4.1 離子交換膜燃料電池

電池中電解質(zhì)采用離子交換膜的燃料電池被稱為離子交換膜燃料電池，其原理是通過離子交換膜向各個電極室輸送燃料與氧化劑，讓它們發(fā)生反應(yīng)。

4.2 質(zhì)子交換膜燃料電池

其是采用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的燃料電池，原理為燃料由外部進入，利用質(zhì)子交換膜為氫離子提供通道，到達電催化層發(fā)生解離吸附產(chǎn)生質(zhì)子與電子，并作為隔板防止兩極氣體發(fā)生反應(yīng)，電子與質(zhì)子通過各類路徑到達正極發(fā)生電極反應(yīng)。

4.3 微型質(zhì)子交換膜燃料電池

顧名思義，其是采用微型質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的燃料電池，隨著電子產(chǎn)品尺寸的不斷縮小但其功能卻增多，其發(fā)展十分迅猛，其原理與質(zhì)子交換膜燃料電池并無太大出入，目前已經(jīng)實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，應(yīng)用于精密儀器、小型移動電子產(chǎn)品。

5 展望

近年來，隨著膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氣體膜由于其成本低、節(jié)能、高效、污染少的卓越性能，受到了越來越多國家及企業(yè)的重視與開發(fā)。我國氣體膜技術(shù)雖然已經(jīng)有了長足的發(fā)展，但由于起步較晚，仍與世界先進水平存在一定差距，需要進一步完善與發(fā)展，為我國經(jīng)濟建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻。