CO2分离膜ppt课件

CO2分离膜 报告人 王琳制作人 叶鹏 王晓磊 王琳 吴如云 刘盼盼 王青 由于化石燃料燃烧等人类活动 CO2排放日益加剧 已给全球气候环境 社会经济发展带来严重的负面影响 CO2减排已成为全球热点问题 背景 1965 2011全球CO2排放量 分离捕集CO2的现实意义 去除天然气中的CO2可以提高天然气产品品质 减少设备和管道的腐烛 降低天然气的运输和储存成本 CO2也是一种重要的资源和工业气体 在化工 油气开采 食品 农业 烟草 消防等领域有着广泛的应用 因此 分离捕集CO2在环境 化工 能源等领域都具有非常重要的意义 如何高效分离回收CO2成为当前的重要研究课题 CO2分离方法 CO2膜分离原理 膜分离法是利用各种气体在不同膜材料中渗透速率的差异来实现分离的 渗透速率相对较快的气体 如H2 CO2 透过膜后富集于膜的渗透侧 而渗透速率相对较慢的气体 如CH4 NH3 则富集于膜的滞留侧 从而使得混合气体分离 气体通过膜的渗透能力与气体分子性质 膜的性质以及渗透气体与膜的相互作用有关 这是膜分离法效率高的主要原因 膜分离法包括分离膜和吸收膜两种类型 在膜分离技术的实施过程中往往需要二者共同来完成 CO2的两种膜分离原理示意 CO2在膜中的传递机理对于非多孔膜材料 气体通过膜的传递过程一般用溶解 扩散机理来解释 气体透过膜的过程可分为三步 气体在膜的上游侧表面吸附溶解膜上游侧表面的气体在浓度差的推动下扩散透过膜膜下游侧表面的气体解吸 CO2膜分离原理 多孔膜材料中气体传递机理包括努森扩散 表面扩散 毛细管冷凝 和分子筛分扩散等 由于多孔膜材料的孔径大小和孔表面性质的差异使得气体分子与膜的相互作用程度会有所不同 所以实际过程中气体在膜中的传递机理往往是上述几种机理的结合 CO2膜分离原理 CO2分离膜材料膜材料是膜分离技术的核心 材料的渗透系数与选择性受控于robeson上限 即渗透系数增加会导致选择性的下降 反之亦然 因而优质的膜材料应具有较大的气体渗透系数和较高的选择性 还要有良好的化学 物理稳定性 耐微生物侵蚀和耐氧化等性能 根据制备膜的材料的不同 分离膜主要分为三大类 无机膜 有机聚合物膜和混合基质膜 有机聚合物膜根据传递机制又可以分为普通高分子膜 气体渗透膜 促进传递膜以及气 液膜接触器 CO2分离膜 无机膜 1 无机膜无机膜材料 具有许多优良的物理和化学特性 如机械强度大 热稳定性好 化学性质稳定 容易再生 使用寿命长且能耐各种酸碱性介质的腐烛等 但由于膜的可塑性差 易破损 价格昂贵等缺点 其发展受到一定限制 研究较多的无机膜有碳膜 沸石膜 二氧化硅膜 陶瓷膜等 根据材料是否有孔结构 无机膜可分为多孔膜和无孔膜两种 无机膜 多孔膜含有纳米孔道结构 非常适合CO2气体的分离 如碳膜 是由高聚物在的高温下发生热裂解制备而成 具有小于1nm微孔结构 大部分碳膜的传递机理为分子筛扩散 氧化硅膜 一般以陶瓷膜为支撑层 上面复合一层多孔性金属分离层 该分离层可以是氧化镁 氧化锆 氧化铝等 这种膜的优点是耐高温 但选择性差 据报道 以氧化镁为复合层的膜对CO2 N2的选择性达到120沸石膜 通常由硅铝酸盐的多晶薄膜负载在多孔载体上制备而成 如T 沸石膜 其厚度约20mm 对CO2 N2和CO2 CH4的选择性分别为107和400 无机膜 CO2的分离效果取决于其在膜上的吸附能力 一般情况下随着温度升高吸附能力下降 如八面沸石和MFI型沸石 气体在膜中的传递机理为分子筛扩散 孔道的直径要与CO2分子的动力学直径匹配 分离效果才好 如孔径为0 55nm的ZSM 5分子筛室温对CO2气体的选择性仅为5 而ASPO 34型 1 孔径0 38 膜材料在CO2 CH4分离试验中渗透系数从2000到4000MPa 选择性为86 171 Himeno 2 等合成的疏水的DDR型沸石膜 孔径0 36nm 渗透系数220MPa CO2的选择性在室温下升到400 1 CarreonMA LiS FalconerJL etal J JournoloftheAmericanChemicalSociety 2008 130 5412 5413 2 HimenoS TomitaT SuzukiK etal J IndustrialandEngineeringChemistryResearch 2007 46 6989 6997 2 有机聚合物膜有机聚合体膜不能在较高的温度 150 和腐蚀环境中工作 由于单位体积的膜具有较大的过滤面积 容易装配 过滤设备体积小 投资较低 它仍然是目前较有使用价值的CO2分离膜 聚合物膜又分为玻璃质膜和橡胶质膜 前者具有更好的气体选择性和机械性能 在工业上应用较为广泛 CO2分离膜 普通高分子膜 气体扩散膜 用于分离CO2的聚合物有很多 如聚硅氧烷 聚砜 聚乙炔 纤维素 聚酰胺 聚酰亚胺 聚醚等如聚乙炔 聚阴离子 聚芳基酯 多芳基化合物 聚碳酸酯 聚醚酰亚胺 聚环氧丙烷 聚吡咯酮和聚砜树脂 其中聚酰亚胺 PI 膜和醋酸纤维素 CA 是目前使用较广的商品膜 CO2分离膜 不同聚合物膜的CO2 N2分离性能 促进传递膜普通高分子膜材料通过结构改性可以使膜的透过选择性得到改善 但没能从根本上解决Robeson上限的问题 而促进传递膜却能突破这一限制 即同时具有高渗透性和高选择性 CO2分离膜 机理固定载体膜的可能促进传递 在膜内通过待分离组分与载体之间发生可逆化学反应而强化该组分在膜中的传递 从而实现对待分离组分的高效分离 气 液膜接触器膜接触器是两个相不通过直接接触而实现相间传质的膜过程 根据两相的不同 可将它分为气 液膜接触器 液 气膜接触器和液 液膜接触器 膜接触器中的膜是疏水性微孔高分子膜 通常有聚四氟乙烯 PTFE 聚丙稀 PP 聚偏二氟乙烯 PVDF 和聚乙烯 PE 等 膜只充当两相间的一个界面 提供更大的传质比表面积 膜本身没有选择性 通过膜接触器与物理吸附或化学吸附相结合而体现对待分离组分的选择性 使用膜接触器分离CO2气体最常用的是中空纤维膜接触器 分离原理如图 CO2分离膜 CO2 膜气吸收原理 CO2分离膜 3 混合基质膜混合基质膜结合了无机膜和有机聚合物膜的优点 具有无机膜所没有的易加工 低成本以及有机膜所不具备的高机械性能 热稳定性等优点 是一种具有高选择渗透性的气体分离膜 具有较好的发展前景 气体在膜内的传递过程也是无机膜和有机聚合物膜两种机制的结合 混合基质膜常采用的无机膜材料有 碳纳米管 纳米金属材料 如金 银等 金属氧化物 如TiO2 沸石 硅等 Jiang等发现在PSf Matrimid中空纤维膜中加入一个沸石薄层 在CO2 CH4的分离实验中 CO2的选择性提高了50 Venna等将SAPO 34膜进行功能化 将胺根离子 如乙二胺 己胺 辛胺等成功结合到SAPO 34膜上 CO2 CH4混合气体分离实验中 CO2的选择性比未功能化时提高约40 在CO2 N2混合气分离实验中 提高约167 理想的多孔无机膜要求对CO2气体的渗透性和选择性恒定 无孔无机膜的目标是可以在500 C使用 对CO2气体的有很好的渗透性和绝对高的选择性同时可以降低成本并克服不易加工的缺点 新一代的高分子膜要能耐高温高压 热稳定性好 机械强度高 更易于加工 且提高抗增塑作用能力促进传递膜 主要是考虑膜的稳定性 防止液膜中液相的挥发流失 还要考虑载体的饱和现象 膜接触器要考虑液相对膜的溶胀作用 需要