第五章二氧化碳膜分离与膜吸收技术《二氧化碳捕集原理与技术》

二氧化碳膜分离材料1二氧化碳膜分离工艺与技术应用2提纲二氧化碳膜吸收原理与技术3

基本概念膜的定义膜：两相之间一个具有选择透过性的屏障。膜通常具有两个明显的特征：①膜充当两相的界面，分别与两侧的流体相接触；②膜具有选择透过性，这是膜或膜处理过程特有的特性。物质选择透过膜的能力可分为两类：一类是借助外界能量，物质发生由低位向高位的流动；另一类是以化学位差为推动力，物质发生由高位向低位的流动。

基本概念烟气烟气是气体和烟尘的混合物，其成分复杂多样。气体成分?：水蒸气、二氧化硫、氮气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物以及氮氧化合物等。烟尘成分?：燃料的灰分、煤粒、油滴以及高温裂解产物等。

膜分离技术的基本原理根据混合气体中各组分透过膜的传递速率不同，使传递速率高的组分在透过侧富集，传递速率低的组分在原料侧富集，从而达到分离的目的。快气（在膜中渗透速率较高的气体组分）会优先吸附、溶解于膜表面并快速渗透到膜的右侧；慢气（在膜中渗透组分较低的气体组分）则大部分滞留于膜的左侧从而达到混合气分离的目的。

多孔膜分离基本原理根据膜孔的孔径d与气体分子平均自由程以及分子与膜孔间的相互作用不同，可将气体分子在多孔膜中的传质机理分为粘性流、努森扩散、表面扩散、毛细管凝聚和分子筛分。用于实现气体分离的多孔膜主要包括沸石分子筛膜、金属-有机骨架膜、炭膜等，主要依靠分子筛分或表面扩散机理实现气体分离。多孔膜气体传质机理示意图（a）粘性流；（b）努森扩散；（c）表面扩散；（d）毛细管凝聚；（e）分子筛分

膜分离技术的关键性能指标有哪些？膜分离技术的关键性能指标透过率：用于衡量气体分子通过膜的速率，定义为单位时间内、单位面积的膜上，单位压差下透过膜的气体体积流量。高透过率意味着气体能快速通过膜；选择性：用于表征膜对两种特定气体（如A与B）分离效果的优劣，定义为二者透过率之比，高选择性意味着膜更倾向于让目标气体A通过，同时限制非目标气体B的渗透。基本概念

基本概念Robeson上限Robeson上限：在物理定律和分子相互作用的约束下，极高渗透率与极高选择性往往难以同时实现。权衡效应：Robeson上限体现出Trade-off（权衡）效应，即渗透率的上升会导致选择性的下降，反之亦然。在发展过程中，由于聚合物结构/性能的优化，肯定会出现新的突破该上限的聚合物材料，形成新的Trade-off效应，所以分离上限是需要不断进行更新修订的。

基本概念图中横纵坐标以对数形式表示，包含了气体分离的两个关键参数，气体混合物中特定组分的渗透系数P和分离系数??(???=????/?????)，其体现了气体分离膜的分离性能。左图为CO2/CH4分离上限（TR，热重排）。PriorUpperBound：1991年的上限；PresentUpperBound：2008年的上限；蓝色实圈：热重排聚合物（TR-Polymers）虚线：利用热重排聚合物绘制的上限。

知识点Robeson上限物理意义答：Robeson上限表示的是均相聚合物膜对特定气体对（CO2/CH4、CO2/N2等）的分离性能的极限，利于指导聚合物膜结构/性能的优化突破。CO2/CH4选择性为50的具体意义答：α(CO2/CH4)=50指的是某气体分离膜P(CO2)/P(CH4)=50。

5.1二氧化碳高分子分离膜二氧化碳高分子分离膜定义：由高分子材料制成的具有特殊微孔结构的膜。高分子分离膜优缺点优点：高分子膜在低能耗下具有更好的气体选择性和透过性，能够对多组分气体中的CO2进行分离和捕集。缺点：高分子膜渗透性和选择性受权衡效应（渗透性越强的膜倾向于低选择性，反之亦然）限制，且存在Robeson上限、抗塑性差、热稳定性差等缺点。

理想的膜材料需要满足：①高的CO2渗透性能；②高的CO2/N2或CO2/CH4选择性；③良好的热稳定性、化学稳定性、抗塑化及抗老化性能；④成本低且易于组装。膜界面设计示意图及其气体分离综合性能5.1二氧化碳高分子分离膜

5.1.1二氧化碳高分子分离膜高分子分离膜分类高分子膜按照制备温度可分为橡胶态（高于玻璃化转变温度）和玻璃态（低于玻璃化转变温度）。绝大多数聚合物材料通常可处于以下三种物理状态（或称力学状态）：玻璃态、高弹态（橡胶态）和粘流态。玻璃化转变温度（Tg）是指由玻璃态转变为高弹态所对应的温度。玻璃化转变是非晶态高分子材料固有的性质，是高分子运动形式转变的宏观体现，直接影响到材料的使用性能和工艺性能。玻璃化温度（Tg）是分子链段能运动的最低温度，其高低与分子链的柔性有直接关系，分子链柔性越大，玻璃化温度就低；分子链刚性大，玻璃化温度就高。

橡胶态高分子膜橡胶态高分子膜的一个普