气体分离技术的应用及发展

无机膜在气体分离领域的应用主要包括气体（空气）的净化和气体组分的分离。目前成功应用的仅是铀同位素的分离，其他气体的净化与分离均处于开发过程中。

（一）气体的净化

无机膜可以去除空气中粒径为0.1～0.5mm的固体颗粒，这是一般的空气净化装置（如纤维过滤器）难以胜任的。

无机陶瓷膜还可用于高温气体的净化，如烟道气和发电厂透平供气的除尘以及化工过程中催化剂的回收等。陶瓷膜可在高温下使用，因而可减少除尘前后气体的冷却和加热过程。

（二）气体的分离

高温下回收氢气，去除二氧化碳、水蒸气、酸性气体（如二氧化硫、硫化氢、二氧化碳等）以及燃料气中的硫化氢等工业过程都需要实现高温气体的分离过程。与常规的分离过程相比，无机膜进行高温气体分离不仅可节省热交换设备，同时也降低了能耗。表13-7列出了无机膜在气体分离过程中的应用领域。

表13-7　无机膜在气体分离中的应用

1.纯氢的制备　氢在金属中的扩散比氧或氮在金属中的扩散大15～20个数量级。致密的钯及其合金对氢的渗透性较高。透过钯—银合金膜的氢气纯度可达到99.99995%。钯与钇、钯与铈的合金具有更高的氢渗透性能。高纯氢最主要的应用是在电子工业领域。

2.氧和氮的分离富集　空气分离被认为是无机膜的主要应用领域之一。经过无机膜分离富集的氮气纯度可达99%，而氧气的浓度能达到50%。固体电解质膜在高温下透氧也是无机膜应用研究的重要方面。二氧化锆或钙钛矿型材料在高温下能够选择性透氧，使制备高纯氧成为可能。(www.xing528.com)

3.调整氢与一氧化碳合成气的组成　在碳一化学中，采用不同比例的H2和CO可以直接或间接地合成甲醇、乙酸和乙二醇等物质。利用H2和CO在微孔玻璃膜上渗透系数的不同，可在很大程度上调整合成气中H2与CO的组成比。

4.氢与氮的分离　在气体分离中，无机膜应用最多的是从合成氨弛放气中回收氢。氢从膜的低压侧分离出来，经加压再回到反应体系中。主要的研究结果如表13-8所示。

表13-8　氢与氮的无机膜分离

5.含硫、氮等有害气体的分离　含1%～2%的硫、氮化合物（如NH3、SO2、NOx等）在通过YSZ膜表面时，由于YSZ是氧离子导体，硫和氮的氧化物分别被分解为硫和氮。

高温下硫化氢可分解为元素硫和氢气。受热力学平衡的限制，该反应在800℃时的解离度也仅有百分之几。若将反应置于透氢的金属Pd或Pt膜一侧，则在700℃时该热解反应已进行完全。这种工艺可用于天然气的脱硫过程。

6.低碳烃组分的分离　利用无机膜分离低碳烃混合物可得到较好的效果。经过适当表面修饰的微孔SiO2膜对烷烃和烯烃的吸附特性不同，膜孔壁对丙烷的吸附能力是丙烯的两倍。在膜的表面扩散和毛细管凝聚作用下，丙烯选择性地透过膜。在35℃、原料侧（进料侧）压力为0.5Mpa、渗透侧压力为0.1Mpa时，膜对丙烷和丙烯混合物的分离因子为75。

利用分子筛膜固有微孔（直径0.5～0.6nm）的分子筛分作用，也可以选择性地分离碳氢化合物同分异构体，如正丁烷比异丁烷更容易透过膜。

7.稀有气体氦的回收　在氧化铝膜上修饰SiO2薄层（20～120nm），使其孔径小于1nm。在分离He、N2混合气体时，这种氧化铝膜对He的渗透系数为（1000～2000）×10-10（mol·cm）/（cm2·s·cmHg），分离因子为2。