气体膜技术研究进展

刘庆祥 张文水

(山东科技大学化学与生物工程学院，山东 青岛 266590)

1 气体分离膜

1.1 压差驱动分离

(1)有机高分子膜。由于各种膜的结构与化学特性的不同，想用统一的理论解释渗透的复杂过程是不可能的。因而我们通过2种较为典型的膜分离过程介绍其机制。一是多孔膜，其主要利用各类气体透过多孔膜细孔的速率差异进行分离。二是非多孔膜，其首先与气体接触，然后气体向膜的表面溶解，导致膜两侧出现压力差，从而使得气体向膜外扩散，实现气体的分离。目前主要应用于海水淡化、污废处理、医疗、食品、农业、化工等各方面。

(2)无机膜。顾名思义，其由无机材料制成的半透膜，分为致密膜与与多孔膜2大类：一是致密膜，通过氢的溶解机理透过氢或者离子传导的机理透过氧，从而达到分离的目的；二是多孔膜透过机制与有机高分子膜的多孔膜类似。无机膜技术现在已经趋于成熟，应用已经扩展至食品工业、化学工业、石油化工等领域。

1.2 浓度差分离

(1)渗透蒸发。渗透蒸发与常规膜分离方式不同，其渗透过程中会出现由液相到气相的相变，当分离物透过膜时，在膜两侧的蒸气分压的作用下，液体混合物部分地蒸发，从而达到分离目的的一种分离技术。目前主要应用于石油化工、精细化工、医药化工等工业领域。

(2)蒸汽渗透。介于渗透蒸发与气体膜分离之间的一种新型膜分离技术，其原理是利用各组分在膜内的溶解与扩散能力的不同，在蒸汽分压差所产生的推动力下，实现混合物的分离。蒸汽渗透技术在制药、食品、环境工程等工业领域具有广阔的应用前景。

(3)液膜分离。液膜分离是一种新型膜分离技术，其原理利用液膜选择性高与通量大的特点，分别在膜的两侧进行萃取与反萃取，溶质萃取入膜，扩散到膜的另一侧，再被反萃取，进而实现分离。目前，此技术主要应用于气体分离、金属分离浓缩即蛋白质氨基酸的分离研制工作。

(4)膜吸收分离。膜吸收分离是由膜基气体分离与物理吸附、化学吸收、低温精馏与深冷分离结合的新型分离技术。其基本机理气体与吸收液在微孔膜的两侧流动，利用吸收液的选择吸收性吸收气体中的某一部分来达到分离的目的。目前主要应用于气体污染处理、油田环境保护等方面。

1.3 温差驱动分离

膜蒸馏是利用高分子膜上的某些结构的功能来达到蒸馏目的一种新型膜分离技术，由于壁面温度的不同，分为冷侧与暖侧，借助这种温度差，促使暖侧产生的水蒸气透过膜到达冷侧，并在冷壁表面冷凝下来，从而实现了分离的目的。目前应用于海水淡化、废水处理、反渗透水处理。

2 气体反应膜

2.1 惰性反应器

顾名思义，其膜本身为惰性，不具有催化反应的功能，而只起到分离作用的反应系统，通常可以分为一体式与分体式2种。

2.2 催化膜反应器

(1)无机催化膜反应器。氢分子在膜的表面被解离吸附，电离成质子与电子，在低氢分压侧，质子从金属格子中接受电子变成吸附氢原子，结合后变成氢原子脱离。只有被解离吸附成为质子状态的氢才能透过，而不能变成质子的其它气体不能透过。目前主要应用于石油化工、食品等工业领域。

(2)有机催化膜反应器。有机催化膜反应器分为酶膜生物反应器与膜生物反应器。酶是一种由细胞产生的具有高效催化能力的蛋白质(大部分)，由于其是水溶性物质，不易从产生的母液中分离出来进行循环，增加了许多成本。而酶膜生物反应器用膜将酶封闭起来或者将其制成不溶于水的形态，使酶不随反应的进行而损耗，实现反应与分离的一体化。目前有机催化膜反应器主要应用于食品领域、医药领域、污水处理。

膜生物反应器是一种由膜过滤取代传统生物处理中沉淀池的生物处理技术。目前主要用于下水道污水、粪便污水、垃圾渗滤液等废水的处理。

3 气体传感膜

3.1 化学传感器

利用各种气体化学性质的不同，在计算机上显示图像的不同，判断气体类型以及环境的各项参数。

3.2 模式氢浓度传感器

模式氢浓度传感器是每个气体处理工作者必备的检测仪表，其利用氢气浓度传感器的工作电极、对电极与参考电极在电催化剂的作用下，根据电极之间电流计的读数算出氢气的浓度。

3.3 高分子膜光纤气体传感器

当传感器的探头与待测气体接触时，其中敏感膜的化学性能会发生变化，根据此变化量可以测定气体的浓度。由于其响应快、操作便利、环境耐性好等优点，广泛应用在化学、生物、工业控制领域。

4 能量转换膜

4.1 离子交换膜燃料电池

电池中电解质采用离子交换膜的燃料电池被称为离子交换膜燃料电池，其原理是通过离子交换膜向各个电极室输送燃料与氧化剂，让它们发生反应。

4.2 质子交换膜燃料电池

其是采用质子交换膜作为电解质的燃料电池，原理为燃料由外部进入，利用质子交换膜为氢离子提供通道，到达电催化层发生解离吸附产生质子与电子，并作为隔板防止两极气体发生反应，电子与质子通过各类路径到达正极发生电极反应。

4.3 微型质子交换膜燃料电池

顾名思义，其是采用微型质子交换膜作为电解质的燃料电池，随着电子产品尺寸的不断缩小但其功能却增多，其发展十分迅猛，其原理与质子交换膜燃料电池并无太大出入，目前已经实现了批量生产，应用于精密仪器、小型移动电子产品。

5 展望

近年来，随着膜科学技术的发展，气体膜由于其成本低、节能、高效、污染少的卓越性能，受到了越来越多国家及企业的重视与开发。我国气体膜技术虽然已经有了长足的发展，但由于起步较晚，仍与世界先进水平存在一定差距，需要进一步完善与发展，为我国经济建设做出应有的贡献。