氣體膜技術(shù)

前言

　　迄今，氣體膜分離技術(shù)在許多領(lǐng)域完成了從實驗到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，目前已成為一項高效節(jié)能和對環(huán)境友好的新型分離技術(shù)，并成功地用于多種工藝過程。在與傳統(tǒng)工藝的競爭中，發(fā)揮了自身的優(yōu)勢，在工業(yè)造氣市場占有一席之地，成為中國氣體工業(yè)技術(shù)革新的重要成員?！　≌雇磥?，氣體膜分離技術(shù)無論在理論上還是應(yīng)用上都有很大的發(fā)展空間。其中，包括進一步改善和提高現(xiàn)有聚合物膜材質(zhì)的性能；研制開發(fā)無機膜等新型材料；改進已有的膜工藝過程，特別是與膜工藝配套的前處理工藝，使其更多替代傳統(tǒng)的工藝過程，加強各種膜技術(shù)之間以及膜與非膜技術(shù)之間的集成技術(shù)開發(fā)。相信二十一世紀(jì)的氣體膜技術(shù)必將會有更大的作為，為國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展做出新的貢獻?！　”緯膬?nèi)容是以氣體分離膜為主，同時兼論在過程運作中膜整體或部分界面呈氣相形態(tài)的膜單元，如反應(yīng)膜、傳感膜、能量轉(zhuǎn)換膜、醫(yī)療保健膜等諸多方面的氣體膜技術(shù)。主要目的是使廣大讀者擴大視野，對氣體膜技術(shù)有一個更全面的認識和更深入的了解，以使氣體膜技術(shù)能被更好地應(yīng)用并推動未來的科技發(fā)展?！　榱藵M足高新技術(shù)開發(fā)的需要，編者在總結(jié)個人多年從事氣體膜科研工作的基礎(chǔ)上，匯集了國內(nèi)外大量相關(guān)氣體膜的資料編寫成此書，書中全面介紹了有關(guān)各種氣體膜技術(shù)的基本原理、膜的制備方法及其特性測試、膜裝置的結(jié)構(gòu)與操作工藝及其在不同領(lǐng)域中的大量應(yīng)用實例等?！　”緯诮M織選材方面，注意將基礎(chǔ)知識與應(yīng)用實例相結(jié)合，盡量做到通俗易懂、由淺人深，使廣大讀者從中得到概念領(lǐng)悟和新的啟發(fā)。這是編者的愿望和宗旨。　　概括起來，本書的特點是內(nèi)容廣泛、取材新穎、實用性強，是一本比較實用的專業(yè)參考書。但愿本書的出版發(fā)行，能對我國氣體膜技術(shù)的發(fā)展起到一定的推動作用?！　≡诒緯木帉懞统霭孢^程中，承蒙中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和化學(xué)工業(yè)出版社的積極支持，榮幸地得到了中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的膜界元老鄭領(lǐng)英教授和編審專家盧喜先教授的大力推薦，在此一并表示誠摯的謝意。最后還要感謝在本書的編寫工作中對氣體膜技術(shù)的發(fā)展給予關(guān)懷和厚愛的全體同志！　　由于編者水平所限，書中謬誤和不當(dāng)之處在所難免，敬請業(yè)界同仁和廣大讀者不吝批評指正。

內(nèi)容概要

　　《氣體膜技術(shù)》較全面和系統(tǒng)地介紹了當(dāng)代各種氣體膜技術(shù)的基本原理、制膜方法、膜的特性測試、應(yīng)用實例及其最新發(fā)展和展望。《氣體膜技術(shù)》對從事膜法氣體分離、石油化工、燃料電池、生物工程及醫(yī)療保健等工作的科研人員和工程技術(shù)界同仁有較大的參考價值，可供與膜技術(shù)相關(guān)的企業(yè)專家、從業(yè)人員以及各級管理干部和大專院校師生參考，也可作為對膜技術(shù)感興趣的初學(xué)者的入門讀物。

書籍目錄

第一篇 總論1第1章 氣體膜技術(shù)及其開發(fā)近況11.1 國內(nèi)概況21.1.1 有機膜系列21.1.2 無機膜系列51.2 國外概況51.2.1 有機膜系列51.2.2 無機膜系列6參考文獻7第2章 氣體分離工藝的分類與特點82.1 深冷分離法82.2 變壓吸附法82.2.1 基本原理82.2.2 工藝特點82.3 膜分離技術(shù)92.3.1 基本原理92.3.2 工藝特點9參考文獻10第3章 各種氣體分離工藝的對比和集成113.1 工藝特點的對比113.2 集成工藝12參考文獻12第二篇 膜過程13第4章 氣體分離膜134.1 壓差驅(qū)動分離134.1.1 有機高分子膜134.1.2 無機膜384.1.3 氣體分離膜材質(zhì)的研究進展434.1.4 氣體壓差驅(qū)動膜分離技術(shù)的應(yīng)用564.2 濃差驅(qū)動分離684.2.1 滲透蒸發(fā)684.2.2 蒸氣滲透794.2.3 液膜分離804.2.4 保鮮膜分離874.2.5 膜吸收分離944.2.6 促進傳遞分離994.3 溫差驅(qū)動分離1034.3.1 膜蒸餾1034.3.2 滲透蒸餾111參考文獻114第5章 氣體凈化膜1185.1 引言1185.2 微孔濾膜1185.2.1 微孔濾膜的主要特征1185.2.2 微孔濾膜的性能測定1205.2.3 微孔濾膜的形態(tài)結(jié)構(gòu)1255.2.4 微孔濾膜的截留機理1265.2.5 微孔濾膜的主要品種1265.2.6 微孔濾膜在使用中應(yīng)注意的若干問題1275.3 金屬微孔膜1275.3.1 概述1275.3.2 金屬微孔膜的性能1285.4 陶瓷微孔膜1285.4.1 引言1285.4.2 陶瓷微孔膜用于氣固分離的基本原理和模式1285.4.3 陶瓷微孔膜的應(yīng)用1295.4.4 我國陶瓷微孔膜開發(fā)應(yīng)用情況1305.4.5 陶瓷微孔膜技術(shù)研究進展1305.5 我國微孔濾膜的研究開發(fā)1305.6 微孔濾膜的應(yīng)用1315.6.1 在實驗室中的應(yīng)用1315.6.2 在工業(yè)上的應(yīng)用1325.6.3 在電子工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用1325.6.4 微孔濾膜在空氣及各種氣體和蒸氣過濾方面的應(yīng)用132參考文獻133第6章 氣體反應(yīng)膜1346.1 概述1346.2 膜反應(yīng)器的特點1346.3 膜反應(yīng)器的分類1356.3.1 從同膜相關(guān)的特性參數(shù)出發(fā)1356.3.2 從同催化劑相關(guān)的特性參數(shù)出發(fā)1356.4 惰性膜反應(yīng)器1356.5 催化膜反應(yīng)器1366.5.1 無機催化膜反應(yīng)器1366.5.2 有機催化膜反應(yīng)器1386.6 膜反應(yīng)器的應(yīng)用1426.6.1 鈀膜反應(yīng)器的應(yīng)用1426.6.2 膜生物反應(yīng)器處理廢氣1446.6.3 在石化能源轉(zhuǎn)換中實現(xiàn)H2／CO2分離的技術(shù)——膜反應(yīng)器145參考文獻146第7章 氣體傳感膜1477.1 概述1477.2 膜傳感器的沿革1477.3 膜傳感器的分類1477.4 各種氣體膜傳感器1487.4.1 化學(xué)傳感器1487.4.2 膜式氫濃度傳感器1497.4.3 高分子膜光纖氣體傳感器1517.4.4 V2O5薄膜用作SO2氣敏傳感器1537.4.5 質(zhì)子交換膜SO2傳感器1537.4.6 SnO2氣敏傳感器1547.4.7 聲表面波氣體傳感器156參考文獻157第8章 能量轉(zhuǎn)換膜1588.1 概述1588.2 燃料電池1588.2.1 緒論1588.2.2 離子交換膜燃料電池1588.2.3 質(zhì)子交換膜燃料電池1648.2.4 燃料電池用質(zhì)子交換膜的開發(fā)近況1688.2.5 微型質(zhì)子交換膜燃料電池172參考文獻173第9章 醫(yī)療用膜1759.1 人工肺1759.1.1 概述1759.1.2 人工肺及其分類1759.1.3 人工肺實現(xiàn)肺功能的必備條件1779.1.4 人工肺的運作原理1779.1.5 人工肺系統(tǒng)1789.1.6 人工肺用膜1789.1.7 人工肺的開發(fā)展望1809.2 接觸透鏡（隱形眼鏡或角膜接觸鏡)1819.2.1 概述1819.2.2 接觸透鏡的作用1829.2.3 接觸透鏡應(yīng)具備的條件1829.2.4 接觸透鏡材料的分類1839.2.5 對接觸透鏡材料的特性要求1839.2.6 接觸透鏡的制法1839.2.7 接觸透鏡的應(yīng)用1839.2.8 展望1849.3 人工皮膚1849.3.1 概述1849.3.2 人工皮膚的品種和特性1859.3.3 人工皮膚的分類和制法1869.3.4 人工真皮替代物的結(jié)構(gòu)模型1879.3.5 發(fā)展前景1889.3.6 人工皮膚的應(yīng)用1889.4 氣體膜技術(shù)在醫(yī)療保健方面的應(yīng)用1899.4.1 醫(yī)用富氧器1899.4.2 富氧空調(diào)1909.4.3 膜法富氧用于醫(yī)療保健190參考文獻191第三篇 制膜工藝192第10章 概述19210.1 分離膜應(yīng)具備的基本特性19210.2 膜材質(zhì)與制膜工藝兼顧19210.3 制膜工藝的分類192參考文獻193第11章 有機膜的制備方法19411.1 膜材質(zhì)19411.1.1 普通高聚物膜材質(zhì)19411.1.2 高分子合金膜材質(zhì)19511.2 致密膜的制備19611.2.1 溶液澆鑄法19611.2.2 熔融拉伸成膜法19611.2.3 膜形成與聚合過程同時進行法19611.3 溶劑蒸發(fā)法19611.4 浸沉凝膠相轉(zhuǎn)化法（L-S法)19811.4.1 概述19811.4.2 制膜工藝19811.5 浸入沉淀相轉(zhuǎn)化法制膜19911.5.1 引言19911.5.2 成膜機理19911.5.3 膜結(jié)構(gòu)形態(tài)20011.6 熱致相分離法制備高聚物微孔膜20011.6.1 引言20011.6.2 熱致相分離法制膜過程20011.6.3 熱致相分離法制微孔材料20111.6.4 熱致相分離法制備微孔膜的優(yōu)點20111.6.5 熱致相分離法制備微孔膜的最新進展20211.7 復(fù)合膜的制法20211.7.1 概述20211.7.2 復(fù)合膜的制作20211.8 低溫等離子體制膜法20411.8.1 概述20411.8.2 等離子體聚合成膜條件20411.8.3 等離子體聚合制備高分子膜的裝置20511.8.4 利用低溫等離子體制備高分子膜20511.9 燒結(jié)法制微孔濾膜20611.9.1 原理20611.9.2 膜材質(zhì)20611.9.3 多孔氧化鋁基質(zhì)膜（底膜)的制備20611.10 LB膜的制法20811.10.1 概述20811.10.2 LB膜及其材料20811.10.3 LB膜的制備技術(shù)20911.10.4 LB膜的制備裝置21011.10.5 LB膜的物性表征及實驗研究技術(shù)21111.11 核微孔膜的制法21111.11.1 引言21111.11.2 核微孔濾膜的制備21111.11.3 核微孔濾膜的特性21211.11.4 核孔濾膜的主要性能測定21311.11.5 光接枝改性核孔膜21311.12 拉伸法制微孔膜215參考文獻217第12章 無機膜的制備方法21812.1 概述21812.2 沸石分子篩膜的制法21812.2.1 前言21812.2.2 沸石分子篩膜的合成技術(shù)21812.2.3 沸石膜合成的最新方法21912.2.4 沸石分子篩膜的缺陷和修飾22112.2.5 沸石膜合成中的一些注意點22112.2.6 沸石膜的表征22112.3 氣體分離碳分子篩膜的制法22212.3.1 引言22212.3.2 碳膜原料22212.3.3 聚合物膜的制作22212.3.4 聚合物膜預(yù)處理22312.3.5 熱解／炭化處理22312.3.6 碳膜后處理22312.3.7 碳膜組件化22412.3.8 高氫選擇性分子篩碳膜的制備22412.4 鈀及其合金膜的制法22512.4.1 概述22512.4.2 鈀膜的制備方法22512.4.3 鈀合金膜的制備方法22612.5 化學(xué)氣相沉積制膜法22812.5.1 概述22812.5.2 化學(xué)氣相沉積過程22812.5.3 化學(xué)氣相沉積制膜22912.5.4 用于制備無機分離膜22912.6 陶瓷膜的制法23012.6.1 引言23012.6.2 陶瓷膜的構(gòu)造形狀及其特性23112.6.3 陶瓷膜的制備23112.6.4 復(fù)合陶瓷膜的制備23212.7 溶膠-凝膠法成膜技術(shù)23312.7.1 引言23312.7.2 原理23312.7.3 溶膠-凝膠法工藝23312.7.4 溶膠-凝膠法的原料23412.7.5 溶膠-凝膠法成膜實例234參考文獻235第四篇 氣體膜組件的制備、級聯(lián)與流程設(shè)計236第13章 膜組件的主要構(gòu)型與特點23613.1 引言23613.2 氣體膜組件的主要構(gòu)型與分類23613.2.1 板框式23613.2.2 圓管式23713.2.3 螺旋卷式23713.2.4 中空纖維式23713.3 對氣體膜組件的要求23813.4 各種形式膜組件的特性對比238參考文獻239第14章 膜組件的制備工藝24014.1 平板膜組件24014.1.1 流延制膜法24014.1.2 水上展開法24114.1.3 平板刮膜機24114.2 管式膜組件24214.3 螺旋卷式膜組件24414.3.1 螺旋卷式膜組件的特點24414.3.2 螺旋卷式膜組件的結(jié)構(gòu)24414.4 中空纖維膜24514.4.1 溶液拉絲法24514.4.2 熔融拉絲法24814.4.3 熱致相分離法24814.4.4 中空纖維膜組件的制法24914.5 膜組件的運轉(zhuǎn)模式及其適應(yīng)的組件形式25314.5.1 減壓式25314.5.2 加壓式25314.5.3 加壓/減壓式253參考文獻254第15章 中空纖維氣體膜分離數(shù)學(xué)模型與組件級聯(lián)25515.1 氣體膜分離數(shù)學(xué)模型25515.2 氣體膜分離器的級聯(lián)25615.2.1 膜組件的一級配置25615.2.2 膜組件的多級多段配置25815.2.3 膜分離系統(tǒng)的配套流程舉例258參考文獻260第五篇 氣體膜技術(shù)的開發(fā)展望261第16章對氣體膜分離技術(shù)未來的期盼與展望26116.1 進一步探索高性能氣體分離用高分子膜材質(zhì)26116.1.1 提高多孔膜的選擇性26216.1.2 開發(fā)耐熱高分子膜26216.1.3 有機-無機復(fù)合膜26316.1.4 膜的改性26316.2 進一步探索無機膜及其制備技術(shù)26316.2.1 碳分子篩膜26316.2.2 分子篩膜26416.2.3 鈀膜及其復(fù)合膜26416.3 加快拓展應(yīng)用領(lǐng)域26516.4 對醫(yī)療衛(wèi)生用氣體膜的前景期盼26516.5 對燃料電池質(zhì)子交換膜的展望26616.6 促進膜反應(yīng)器的創(chuàng)新研究266參考文獻266第17章 氣體膜分離技術(shù)與其他過程集成26717.1 概述26717.2 膜分離與吸附單元操作集成26717.3 膜分離與冷凍單元操作集成26717.4 膜分離與催化單元操作集成26817.5 滲透蒸發(fā)與其他過程的集成26817.5.1 與精餾過程的集成26817.5.2 與反應(yīng)過程集成26917.5.3 與吸附過程的集成269參考文獻270第18章 世界氣體膜分離市場展望27118.1 概述27118.2 膜法制氮27218.3 膜法富氧27218.4 膜法提氫27218.5 天然氣凈化27318.6 蒸氣／氣體分離27318.7 蒸氣／蒸氣分離273參考文獻274結(jié)束語275附錄276附表1 天邦膜技術(shù)國家工程研究中心生產(chǎn)的主要氣體分離膜裝置的規(guī)格和性能概況276附表2 國外氣體膜分離器的主要供應(yīng)廠家276附表3 國外主要生產(chǎn)氣體膜分離器的公司及其產(chǎn)品性能277附表4 中空纖維氣體分離膜組件的規(guī)格和性能（日本東洋紡)277附表5 提氫用中空纖維膜組件的規(guī)格和性能（日本宇部興產(chǎn))277附表6 國產(chǎn)主要微孔濾膜和裝置的性能概況278附表7 國產(chǎn)微孔濾膜的規(guī)格性能和應(yīng)用（杭州水處理技術(shù)研究開發(fā)中心)278附表8 國產(chǎn)核微孔濾膜的規(guī)格和性能（中國原子能科學(xué)研究院)278附表9 國產(chǎn)微孔過濾器的規(guī)格性能和應(yīng)用（上海集成過濾器材公司)279附表10 國外微濾用膜組件的規(guī)格與性能279附表11 國外除菌用過濾器的規(guī)格與性能（Millipore公司)280附表12 國內(nèi)一些氣體膜科研所及膜設(shè)備廠商一覽表280附表13 日本氣體膜與膜設(shè)備廠商一覽表281附表14 常用單位換算281

章節(jié)摘錄

　　如所周知，在自然界中存在著一種被稱為“膜（membrane）”的物質(zhì)。它可以是固態(tài)的或液態(tài)的，而被它分隔開的流體相物質(zhì)可以是液態(tài)或氣態(tài)的。膜本身可以是均勻的一相，也可以是由兩相以上的凝聚態(tài)物質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合體。然而，不論膜本身薄到何等程度，它都必定有兩個界面，并由這兩個界面分別與被其分隔于兩側(cè)的流體相物質(zhì)相接觸?！　⌒枰赋龅氖?，在本書中所談的不是普通的塑料膜或皂泡膜，而是那些具有一定特殊性質(zhì)的功能膜（也叫智能膜）。比如“分離膜”，它是兩相之間的一個半滲透的隔層，該隔層能按一定的方式截留分子，從而將物質(zhì)分開?！　‘?dāng)然，在功能膜中，隨著人們的不斷發(fā)現(xiàn)，它們不僅具有分離功能，而且還有其他如反應(yīng)、傳感、能量轉(zhuǎn)換及仿生等各種奇特的智能本領(lǐng)?！　‰S著膜科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，功能膜在現(xiàn)代生活及工業(yè)生產(chǎn)中占有越來越重要的地位，受到了國際上越來越廣泛的關(guān)注和重視。功能膜技術(shù)被認為將在二十一世紀(jì)的工業(yè)技術(shù)改造中起戰(zhàn)略作用，是最有發(fā)展前景的高新技術(shù)之一。迄今，膜科學(xué)技術(shù)已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，博得了業(yè)界的普遍好評，并取得了可觀的社會效益與經(jīng)濟效益?！　《皇兰o(jì)，仿生科技將是為高新技術(shù)發(fā)展和創(chuàng)新提供新思路、新原理和新理論的重要源泉。實現(xiàn)仿生功能是膜科技工作者的奮斗目標(biāo)，也是目前國際上膜學(xué)領(lǐng)域研究的新熱點。　　目前已活躍在各科技領(lǐng)域中的功能膜，概括起來大體可分為人工（合成）膜和生物（天然）膜兩大類，其中前者又可分為分離膜、識別傳感膜及能量轉(zhuǎn)換膜等（如圖1-1所示）。

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