氣體膜技術研究進展

劉慶祥 張文水

(山東科技大學化學與生物工程學院，山東 青島 266590)

1 氣體分離膜

1.1 壓差驅動分離

(1)有機高分子膜。由于各種膜的結構與化學特性的不同，想用統一的理論解釋滲透的復雜過程是不可能的。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，導致膜兩側出現壓力差，從而使得氣體向膜外擴散，實現氣體的分離。目前主要應用于海水淡化、污廢處理、醫療、食品、農業、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。無機膜技術現在已經趨于成熟，應用已經擴展至食品工業、化學工業、石油化工等領域。

1.2 濃度差分離

(1)滲透蒸發。滲透蒸發與常規膜分離方式不同，其滲透過程中會出現由液相到氣相的相變，當分離物透過膜時，在膜兩側的蒸氣分壓的作用下，液體混合物部分地蒸發，從而達到分離目的的一種分離技術。目前主要應用于石油化工、精細化工、醫藥化工等工業領域。

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

(3)液膜分離。液膜分離是一種新型膜分離技術，其原理利用液膜選擇性高與通量大的特點，分別在膜的兩側進行萃取與反萃取，溶質萃取入膜，擴散到膜的另一側，再被反萃取，進而實現分離。目前，此技術主要應用于氣體分離、金屬分離濃縮即蛋白質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、化學吸收、低溫精餾與深冷分離結合的新型分離技術。其基本機理氣體與吸收液在微孔膜的兩側流動，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。目前主要應用于氣體污染處理、油田環境保護等方面。

1.3 溫差驅動分離

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

2 氣體反應膜

2.1 惰性反應器

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

2.2 催化膜反應器

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

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

膜生物反應器是一種由膜過濾取代傳統生物處理中沉淀池的生物處理技術。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 化學傳感器

利用各種氣體化學性質的不同，在計算機上顯示圖像的不同，判斷氣體類型以及環境的各項參數。

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，根據電極之間電流計的讀數算出氫氣的濃度。

3.3 高分子膜光纖氣體傳感器

當傳感器的探頭與待測氣體接觸時，其中敏感膜的化學性能會發生變化，根據此變化量可以測定氣體的濃度。由于其響應快、操作便利、環境耐性好等優點，廣泛應用在化學、生物、工業控制領域。

4 能量轉換膜

4.1 離子交換膜燃料電池

電池中電解質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，讓它們發生反應。

4.2 質子交換膜燃料電池

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

4.3 微型質子交換膜燃料電池

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

5 展望

近年來，隨著膜科學技術的發展，氣體膜由于其成本低、節能、高效、污染少的卓越性能，受到了越來越多國家及企業的重視與開發。我國氣體膜技術雖然已經有了長足的發展，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展，為我國經濟建設做出應有的貢獻。