專(zhuān)利名稱(chēng)：一種膜法氣體分離的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及膜法氣體分離領(lǐng)域，具體涉及一種不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)耦合膜法氣體分離的裝置和方法，增加傳質(zhì)推動(dòng)力，提高滲透速率和分離效果。
背景技術(shù)：
氣體膜分離技術(shù)于20世紀(jì)70年代已開(kāi)始商業(yè)應(yīng)用。該技術(shù)的主要特點(diǎn)是無(wú)相變，能耗低，裝置規(guī)模根據(jù)處理量的要求可大可小，比較靈活，而且設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，運(yùn)行可靠性高。在膜法氣體分離的過(guò)程中，氣體在與膜接觸時(shí)溶解于膜，并在化學(xué)位梯度的推動(dòng)下，在膜中向另一側(cè)擴(kuò)散，到膜的另一側(cè)時(shí)氣體從膜中解吸出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了氣體從膜一側(cè)向另一側(cè)的傳質(zhì)。氣體透過(guò)膜的快慢與氣體分子的質(zhì)量、幾何形狀、極性等及膜的性質(zhì)都有關(guān)系。有些氣體和膜有較強(qiáng)的親和能力，較易溶解于膜中(如水蒸汽分子在親水性的膜中)， 而有些氣體則較難溶解于膜中；溶解在膜中的氣體，有些可以較快的速度在膜中擴(kuò)散(如直徑較小的氣體分子)，而有些則以較慢的速度擴(kuò)散。由于溶解度及擴(kuò)散速率上的差別，有些氣體分子能較快地透過(guò)膜(習(xí)慣上稱(chēng)為“快氣”)，有些氣體分子透過(guò)膜較慢(稱(chēng)為“慢氣”)，“快氣”與“慢氣”在透過(guò)側(cè)的比例將比在原料側(cè)的比例高，于是在透過(guò)側(cè)形成了“快氣”的富集，從而實(shí)現(xiàn)氣體分離。一般，氣體在膜表面的溶解和解吸過(guò)程都能較快地達(dá)到平衡，而氣體在膜內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程較慢，是氣體透過(guò)膜的速率控制步驟。由于氣體在膜內(nèi)擴(kuò)散的傳質(zhì)推動(dòng)力僅是化學(xué)位梯度，氣體通過(guò)膜的滲透速率的絕對(duì)值較低，在實(shí)際應(yīng)用中要求膜面積相當(dāng)大，影響膜法氣體分離的推廣應(yīng)用。中國(guó)專(zhuān)利 CN1379697A、CN1994536A、CN101104537A、CN101596406A、CN101721914A、 CN101716465A等公開(kāi)了利用靜電場(chǎng)作用于膜分離過(guò)程。CN1379697A公開(kāi)了利用靜電場(chǎng)改變懸浮顆粒的表面電荷，減少生物膜的形成，提高膜分離性能；CN101104537A公開(kāi)了在電場(chǎng)作用下形成強(qiáng)氧化源氧化分解水中的有機(jī)物；CN101721914A公開(kāi)了在膜過(guò)濾中通過(guò)電場(chǎng)作用，使帶電荷的有機(jī)物或顆粒發(fā)生電泳遷移、電凝聚等作用，減少帶電荷有機(jī)物或顆粒造成的濃差極化與膜污染；CN101716465A、CN101596406A公開(kāi)了在直流電場(chǎng)作用下，使帶電的分子或微粒產(chǎn)生背離或者透過(guò)膜面的電泳運(yùn)動(dòng)，抑制在膜面的濃差極化和膜污染； CN1994536A公開(kāi)了利用電場(chǎng)作用于多組分多糖膜分離過(guò)程，減少濃差極化和膜污染，提高分離性能。檢索國(guó)內(nèi)外的研究，還沒(méi)有通過(guò)附加靜電力作為傳質(zhì)推動(dòng)力提高膜法氣體分離的滲透速率的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，在膜法氣體分離原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供了一種不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)耦合膜法氣體分離的裝置和方法，增加了傳質(zhì)推動(dòng)力，提高滲透速率和離效果。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)耦合膜法氣體分離的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，裝置包括原料室、滲透室、膜和電極，所述電極能夠產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，優(yōu)選所述不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)由平板電極和針狀電極產(chǎn)生，優(yōu)選對(duì)所述電極施加的電壓為IO1 IO4伏。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，所述平板電極位于原料室一側(cè)(可以在原料室的內(nèi)部或外部)，可以為石墨、不銹鋼、鈦、鉬或鍍釕的不銹鋼、鈦等。針狀電極位于滲透室一側(cè)(可以在滲透室的內(nèi)部或外部)，可具有與平板電極同樣的材質(zhì)。進(jìn)入原料室的原料氣體中的極性氣體，在化學(xué)位梯度和所述不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)形成的電位梯度作用下，能以比僅靠化學(xué)位梯度作為推動(dòng)力時(shí)更快的速度透過(guò)膜并從滲透室流出，滲余氣體從原料室流出。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，根據(jù)分離氣體的不同，平板電極和針狀電極的位置可以互換，即平板電極位于滲透室一側(cè)(可以在滲透室的內(nèi)部或外部)，針狀電極位于原料室一側(cè)(可以在原料室的內(nèi)部或外部)。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，膜法氣體分離過(guò)程是在不對(duì)稱(chēng)的靜電場(chǎng)的作用下完成的。氣體分子可分為兩類(lèi)非極性分子和極性分子。非極性分子的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，在無(wú)外電場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷的重心重合，偶極距為零，如C2H6、C2H4、ch4、H2等及所有的單質(zhì)氣體。極性分子的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，在無(wú)外電場(chǎng)作用下，正負(fù)電荷的重心不重合，它們之間有一定的距離， 具有固有偶極距，如H20、H2S, CO、SO2等。極性分子在沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí)，由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，排列是紊亂的。在外電場(chǎng)作用下，非極性分子和極性分子的正負(fù)電荷重心會(huì)被沿電場(chǎng)方向拉開(kāi)，使分子發(fā)生變形并產(chǎn)生一個(gè)附加的偶極，這個(gè)過(guò)程即分子的極化，這個(gè)偶極即誘導(dǎo)偶極，其強(qiáng)度大小和電場(chǎng)強(qiáng)度及分子的變形極化率成正比。在實(shí)際可以得到的電場(chǎng)中， 非極性分子的誘導(dǎo)偶極距比極性分子的偶極距小，受電場(chǎng)力作用相對(duì)較弱。極性分子在外電場(chǎng)作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于沿著外電場(chǎng)方向進(jìn)行有序排列，外電場(chǎng)越強(qiáng)，排列越整齊。在勻強(qiáng)電場(chǎng)下，當(dāng)取向完畢，即電場(chǎng)能量變至最小時(shí)，達(dá)到平衡，作用力為零，偶極子不會(huì)產(chǎn)生平動(dòng)。當(dāng)附加一個(gè)不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)時(shí)，空間各處電場(chǎng)不均勻，偶極子在電場(chǎng)力的作用下向電場(chǎng)強(qiáng)的方向遷移，這種由電位梯度導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象稱(chēng)為電遷移傳質(zhì)。電遷移速率與電場(chǎng)強(qiáng)度、分子極性及分子質(zhì)量等有關(guān)，非極性分子可以認(rèn)為基本沒(méi)有電遷移，仍然以無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)為主。當(dāng)把膜法氣體分離的體系置于不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)中，膜的原料室一側(cè)為場(chǎng)強(qiáng)較弱的一側(cè)，滲透室一側(cè)為場(chǎng)強(qiáng)較強(qiáng)的一側(cè)。一方面，與傳統(tǒng)膜法氣體分離相同，氣體組分由高濃度的原料室一側(cè)向低濃度的滲透室一側(cè)擴(kuò)散傳質(zhì)，推動(dòng)力為化學(xué)位梯度；另一方面，電場(chǎng)力的作用引起向電場(chǎng)變?yōu)樽畲蟮姆较虻碾娺w移傳質(zhì)，推動(dòng)力為電位梯度。將這種不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)和膜法氣體分離的協(xié)同過(guò)程稱(chēng)為“不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)耦合膜法氣體分離”。若極性氣體和非極性氣體進(jìn)行分離，而極性氣體為“快氣”時(shí)，則附加上不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)后，則“快氣”的滲透速率將更快，從而在透過(guò)室一側(cè)將使“快氣”更快的富集。有些個(gè)別體系是極性氣體為“慢氣”(如 H2/CO體系)，此時(shí)不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)可以反向施加，即原料室一側(cè)為針狀電極，透過(guò)室一側(cè)為平板電極，不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)施加給極性分子的作用力阻止其透過(guò)膜，此時(shí)“慢氣”透過(guò)膜的通量會(huì)比沒(méi)有施加電場(chǎng)時(shí)更小，從而更有利于提高分離系數(shù)。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，在一個(gè)實(shí)施例中，滲透室內(nèi)為真空，將擴(kuò)散進(jìn)入滲透室的氣體抽走，以維持滲透室內(nèi)較低的滲透氣濃度。滲透室內(nèi)滲透氣體的流動(dòng)方向可以與原料氣體的流動(dòng)方向相同，也可與原料氣體的流動(dòng)方向不同。
根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，所述膜為致密膜，包括均質(zhì)氣體分離膜和復(fù)合氣體分離膜。根據(jù)分離不同氣體體系的需要，可以采用任何適宜的已知的氣體分離膜。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)耦合膜法氣體分離裝置還可包括加熱或保溫裝置，使膜法氣體分離過(guò)程的操作溫度維持在一定的范圍，優(yōu)選的膜法氣體分離的操作溫度范圍為5 95°C。如膜可以承受，溫度也可更高。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置，還可包含與其他裝置相連的連接管道。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)耦合膜法氣體分離的方法，包括原料氣體被引入原料室；引入所述原料室的原料氣體中的極性氣體在化學(xué)位梯度和不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)形成的電位梯度雙重作用下在膜中以比僅靠化學(xué)位梯度作為推動(dòng)力時(shí)更快的速率透過(guò)膜，進(jìn)入滲透室，滲余氣體分子從原料室流出；進(jìn)入滲透室的滲透氣體從滲透室流出ο根據(jù)本發(fā)明提供的方法，在一個(gè)實(shí)施例中，不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)是由平板電極和針狀電極產(chǎn)生的。優(yōu)選向所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，所述膜法氣體分離的操作溫度范圍為5 95°C。如膜可以承受，溫度也可更高。根據(jù)本發(fā)明提供的方法，所述膜為致密膜，包括均質(zhì)氣體分離膜和復(fù)合氣體分離膜。根據(jù)分離不同氣體體系的需要，可以采用任何適宜的已知的氣體分離膜。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置和方法，相比傳統(tǒng)膜法氣體分離過(guò)程僅有化學(xué)位梯度一個(gè)推動(dòng)力而言，本發(fā)明中有兩個(gè)推動(dòng)力，即化學(xué)位梯度和電位梯度。傳質(zhì)速率是擴(kuò)散速率和電遷移速率的疊加。非極性分子或極性弱的分子由于受靜電場(chǎng)的作用很弱，靜電場(chǎng)的有無(wú)對(duì)其傳質(zhì)基本無(wú)影響；而極性強(qiáng)的分子在附加不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)后的傳質(zhì)速率要比無(wú)電場(chǎng)時(shí)快， 并且傳質(zhì)速率的提高與在靜電場(chǎng)中的偶極距有關(guān)，因此可以提高氣體分離的速度。根據(jù)本發(fā)明提供的裝置和方法，可應(yīng)用于任何含極性與非極性氣體分子的膜法氣體分離，也可用于極性相差較大氣體分子的膜法氣體分離領(lǐng)域，尤其可用于天然氣脫濕及脫硫、空氣脫濕、有機(jī)氣體脫濕、煙道氣脫硫等。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于突破了傳統(tǒng)的膜法氣體分離僅有一個(gè)傳質(zhì)推動(dòng)力(即化學(xué)位梯度)的模式，提出通過(guò)耦合一個(gè)不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)附加另一個(gè)傳質(zhì)推動(dòng)力(即電位梯度)的觀點(diǎn)從而提高不同極性分子的分離，通過(guò)兩個(gè)推動(dòng)力的疊加，使?jié)B透速率以及分離效果在溶解-擴(kuò)散分離的基礎(chǔ)上進(jìn)一步強(qiáng)化。由于現(xiàn)代材料工業(yè)和電工技術(shù)的發(fā)展使靜電電源的制造成本大大降低，實(shí)現(xiàn)耦合場(chǎng)的設(shè)備造價(jià)低。通過(guò)本發(fā)明提供的裝置和方法，能夠提高滲透速率和分離效果，具有廣泛的適用性和良好的實(shí)用性。


附圖提供用來(lái)便于對(duì)本公開(kāi)內(nèi)容的理解，其構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分但并不構(gòu)成對(duì)本公開(kāi)內(nèi)容任何方面的限制。在附圖中圖1以剖面圖的形式顯示了一個(gè)實(shí)例的膜法氣體分離裝置。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
如圖1所示，一個(gè)示例性的不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)耦合膜法氣體分離裝置10，包括原料室7 和滲透室8，平板膜9。在一個(gè)實(shí)施例中，原料室7包含原料氣體的進(jìn)口 1和出口 2，室內(nèi)為常壓，溫度25°C。在原料室7中設(shè)有平板電極4，為陰極；在滲透室8內(nèi)設(shè)有針狀電極5，為陽(yáng)極。在平板電極4和針狀電極5之間加上直流電壓產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)，不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)的電壓為2000伏。滲透室8內(nèi)為負(fù)壓，壓力為1. 7kPa。原料氣體中包含飽和水蒸氣6-2和甲烷6-1，氣流流速為0. 6L/min,由進(jìn)口 1進(jìn)入原料室7，與交聯(lián)的聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯/聚丙烯腈復(fù)合平板膜9的膜面接觸。在不對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)的電位梯度和化學(xué)位梯度的作用下，原料氣體中的極性氣體分子水蒸氣6-2擴(kuò)散透過(guò)平板膜9，在滲透室8內(nèi)的膜面上解吸，水蒸氣6-2被抽走，從出口 3流出。在此過(guò)程中， 會(huì)有極少量的甲烷透過(guò)膜進(jìn)入滲透室。氣體的流動(dòng)方向如圖1中箭頭所示。水蒸汽的滲透方向如圖1中橫向的箭頭所示。水蒸氣的滲透速率為8. 12X IO-3Cm3(STP)/(cm2, s. cmHg), 甲烷的滲透速率約 1. 13X KT6Cm3(STP)/(cm2, s. cmHg)。對(duì)比例原料氣體同實(shí)施例，原料室、滲透室、膜的設(shè)置同實(shí)施例，與實(shí)施例不同之處是沒(méi)有給電極施加直流電壓，所得到的水蒸氣的滲透速率為4. 08X lO-W(STP)/(cm2, s. cmHg)，甲烷的滲透速率約 1. 11 X 10"6cm3(STP)/(cm2, s. cmHg)。結(jié)果以上數(shù)據(jù)可以得知，通過(guò)附加不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)，極性氣體分子水蒸氣的滲透速率增大一倍，而非極性氣體分子甲烷的滲透速率基本沒(méi)變，可以使甲烷和水蒸氣得到更快速的分離。最后應(yīng)說(shuō)明的是以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明， 盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)， 其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種膜法氣體分離的裝置，包括原料室、滲透室、膜和電極，其特征在于，所述電極能產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述電極包括平板電極和針狀電極，所述平板電極位于所述原料室一側(cè)，所述針狀電極位于所述滲透室一側(cè)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，原料氣體中的極性氣體分子，在化學(xué)位梯度和所述不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)形成的電位梯度作用下，能以比僅靠化學(xué)位梯度作為推動(dòng)力時(shí)更快的速度透過(guò)膜。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述平板電極位于所述滲透室一側(cè)，所述針狀電極位于所述原料室一側(cè)。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，對(duì)所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述膜法氣體分離的操作溫度為5 95°C。
7.一種膜法氣體分離的方法，包括將包含極性氣體分子的原料氣體引入原料室；所述極性氣體分子在化學(xué)位梯度和所述不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)形成的電位梯度的作用下以比僅存在化學(xué)位梯度時(shí)更快的速度擴(kuò)散通過(guò)膜，成為滲透氣并從滲透室流出；滲余氣體從所述原料室流出。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)由平板電極和針狀電極產(chǎn)生。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，向所述電極施加的直流電壓為IO1 IO4伏。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述膜法氣體分離的操作溫度為5 95 °C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)耦合膜法氣體分離的裝置，包括原料室、滲透室、膜和電極，電極能夠產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)。所述電極包括平板電極和針狀電極。向所述電極施加的直流電壓為101～104伏。含極性氣體分子的原料氣體進(jìn)入所述原料室，在化學(xué)位梯度和不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)的電位梯度的雙重作用下以比僅存在化學(xué)位梯度時(shí)更快的速度擴(kuò)散透過(guò)膜，成為滲透氣并從滲透室流出，而滲余氣體則從原料室流出，從而使原料氣體得到分離。本發(fā)明還涉及一種不對(duì)稱(chēng)靜電場(chǎng)耦合膜法氣體分離的方法。
文檔編號(hào)B01D53/22GK102274677SQ20111003555
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月10日
發(fā)明者杜潤(rùn)紅 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)