CN100398182C - 一种用气体分离膜渗透仪测定气体渗透性参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于化学工程技术领域，涉及到一种气体分离膜渗透仪的改进方法。其特征在于采用恒压力变体积法测定膜气体渗透性的过程中，在膜池上下游采用抽真空的方法，及时排除气体管路及膜中吸附(无机膜)或者溶解(有机膜)的气体；另外下游采用与空气隔绝的毛细管皂膜流量计测量气体渗透速率可有效地防止空气反扩散。本发明的效果和益处是解决现有恒压力变体积法测定膜气体渗透性能中存在问题，节省前后两种测定气体转换的过渡时间，并防止和避免空气反扩散对测定结果准确性的影响。

Description

一种用气体分离膜渗透仪测定气体渗透性参数的方法

技术领域

本发明属于化学工程技术领域，涉及到一种用气体分离膜渗透仪测定气体渗透性参数的方法。

背景技术

膜分离技术具有高效，环保，节省能源等优点，近几十年来取得了突飞猛进的进展，现已被广泛用于食品、生物、化工、能源、环保等诸多领域。气体分离膜是膜科学与技术的重要组成部分，被认为是最具有发展前景的第三代气体分离技术。气体分离膜的渗透性参数(如渗透通量、选择性等)的准确测定，对于膜生产工艺的改进和完善、新型膜产品的研究开发和应用至关重要。

目前，对于气体分离膜的渗透性参数的测试方法主要采用恒体积变压力法和恒压力变体积法。恒体积变压力法对渗透仪气体管路的气密性要求较高，使得仪器造价昂贵；另外在测定过程中为了使膜池下游达到一定的高真空度，往往需要较长的抽真空时间，  因而很多研究者采用廉价、方便的恒压力变体积法。

然而，在恒压力变体积法测定膜气体渗透性的装置中，膜池下游(低压侧)往往跟大气(皂膜流量计检测)或吹扫气(色谱检测)相连通，这样会使空气或者色谱吹扫气从膜的下游反扩散到膜的上游(高压侧)影响测定结果的准确性；另外此法在更换测定气体过程中往往在上游用待测气体长时间吹扫以排除残留的气体，这样既浪费时间又浪费测定的气体。这样的流程装置虽然能够保证测试工作的正常进行，但存在的两个问题在一定程度上影响了测定结果的准确性：一是在更换测定气体的时候难以排除被膜所吸附(无机膜)或者溶解(有机膜)的气体，二是膜池下游的空气(或者色谱吹扫气)会反扩散到膜池上游。

发明内容

本发明的目的是提供一种用气体分离膜渗透仪测定气体渗透性参数的方法，是在恒压力变体积法测定膜的气体渗透性过程中，1)利用在膜池上下游抽真空的方法及时排除气体管路及膜中吸附(无机膜)或溶解(有机膜)的气体；2)在膜池下游用与空气隔绝的毛细管流量计测定渗透气体的渗透速率有效防止空气反扩散的方法。本方法解决了影响恒压力变体积法测定膜渗透性能准确性的两个问题，能够准确测定膜的气体渗透性参数，并节省前后测定两种气体的过渡时间。

本发明所提供的用气体分离膜渗透仪测定气体渗透性参数的方法的技术方案包括：

(1)把待测的膜样品如平板状、管状或中空纤维状的聚合物膜或无机膜用密封胶固定在膜池中，安放在温控箱中；在膜上下游两侧的压力差作用下待测气体从膜的上游渗透到下游，通过毛细管流量计测量渗透气体的通量便可计算出渗透速率和选择性。

(2)在测定过程中，膜池上游用稳压阀控制压力在大气压力以上，以避免因气体管路密封度不高造成对测定结果的影响；在下游渗透气体的通量的测定采用与空气隔绝、装有汞、聚二甲基硅氧烷或蒸馏水指示液的毛细管皂膜流量计或其它毛细管式流量测定仪或控制仪，以防止空气反扩散。

(3)在测定完一种气体或混合气，改测另一种气体或混合气的中间过渡时，采用在膜的上下游同时抽真空，一方面及时移除气体管路中的残留气体；另一方面可以脱除膜中已经吸附或者溶解的气体；抽真空时间为20min～2h，真空度为1.0×10^-1～1.0×10^-3KPa；

本发明的效果和益处是：

采用上述方案，可以保证测定的气体渗透性参数的准确性，省时、省力、易于操作。

附图说明

图1是本发明的装置流程示意图。

图中：1待测气体阀，2稳压阀，3稳流阀，4真空度表，5真空度表开关阀，6压力表，7、15三通阀，8抽真空泵阀，9真空泵，10气体缓冲罐，11膜池，12毛细管流量计或色谱，13、14放空，16恒温箱。

图2是平板状膜池的结构示意图。

图中：17膜池上盖，18膜池下盖，19铝薄胶粘带，20平板状膜，21滤纸，22多孔垫板，23密封垫圈。

图3是管状膜池的结构示意图。

图中：24膜池上盖，25膜固定支座，26膜池下盖，27密封垫圈，28管状膜。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的最佳实施例。

具体实施方式1

在图2中，将平板状的聚合物膜或无机膜20的上下面分别粘在环形的铝箔胶带19上，在多孔垫板22上面垫一层滤纸并用胶固定在膜池下盖18的中间凹陷处，放好O形密封垫圈23，把膜池上盖17和膜池下盖18用六角螺钉固定上。

在图1中，将图2中的膜池接到带有温控箱的气路中，设定温控箱16的温度。把待测气体阀1、三通阀7和15关闭，打开阀门8，阀15转向抽真空，为防止膜破碎(无机膜，如炭膜等)和变形(聚合物膜等)首先排除下游体系内的空气。待下游真空度有所增加之后，关闭阀2和13，打开阀5，阀7转向抽真空，这时整个气路的上下游都在抽真空，并通过真空表4观察系统的真空度。把系统内残留的气体清除干净后，先关闭阀3之后关闭阀15，再关闭阀8。通入下一个待测气体，缓慢打开阀2，观测真空表4的值，待上游真空度达到零后，把15阀转向抽真空，下游开始充入待测气体，待上下游的真空度都达到零后关闭阀5，把三通阀7转向压力表。缓慢调节稳压阀2和稳流阀3，观察压力表6达到所需的压力测定值，打开三通阀12，通过流量计或者色谱检测渗透气体通量。直到测定的前后两个值的误差小于5％，这样测定3～5次，取其平均值代入下面的公式(1)，即为该气体的渗透速率。同上步骤测定其它气体的渗透速率，将两种纯气体的渗透速率的比值即为所测定的平板状聚合物膜或无机膜对这两种气体的理想选择性。

$Q=\frac{\mathrm{Flux}}{A\·\mathrm{\ΔP}/l}---\left(1\right)$

这里Q为纯气体的渗透速率，Flux为该气体通过膜的通量，A为膜的有效渗透面积，ΔP为膜两侧的压力差，l为膜的厚度。

具体实施方式2

在图3中，将管状膜28的两端用胶封住，其中一端用胶固定在支座25上，在支座左右两面分别垫上O型密封垫圈27，把膜池下盖26旋进膜池上盖24并固定好。

在图1中，将图3中的膜池接到带有恒温箱的气路中，控制恒温箱16的温度后。把待测气体阀1、三通阀7和15关闭，打开阀门8，阀15转向抽真空，为防止膜破碎和变形首先排除下游体系内的空气。待下游压力降下来之后，关闭阀2和13，打开阀5并把阀7转向抽真空，在整个气路的上下游抽真空，并通过真空表4进行判断真空达到平衡状态。先关闭阀3之后关闭阀15，再关闭阀8。通入待测气体，缓慢打开阀2，观测真空表4的值，待上游真空度达到零后，把15阀转向抽真空，下游开始充入待测气体，待上下游的真空度都达到零后关闭阀5，把三通阀7转向压力表。调节稳压阀2和稳流阀3，观察压力表6达到上游所需的压力值后，打开三通阀12检测渗透气体体积单位时间内的变化值。直到测定的前后两个值的误差小于5％，这样测定3～5次，取其平均值代入下面的公式(1)，即为该气体的渗透速率。同上步骤测定其它气体的渗透速率，将两种气体的渗透速率的比值即为该膜对这两种气体的理想选择性。

$Q=\frac{\mathrm{Flux}}{A\·\mathrm{\ΔP}/l}---\left(1\right)$

这里Q为纯气体的渗透速率，Flux为该气体通过膜的通量，A为膜的有效渗透面积，ΔP为膜两侧的压力差，l为膜的厚度。

实施例1

用环氧胶把厚度为20μm，有效渗透面积为4.15cm²的圆形聚酰亚胺薄膜固定在膜池中，采用具体实施方式1，得到了此有机薄膜对氢气(H₂)：2.2Barrer(1 Barrer＝10^-10cm³(STP).cm.cm^-2·s^-1·cmHg^-1)，二氧化碳(CO₂)：1.1Barrer，氧气(O₂)：0.18Barrer，氮气(N₂)：0.034Barrer；选择性为：H₂/N₂＝64.7，CO₂/N₂＝32.4，O₂/N₂＝5.3。

实施例2

将聚酰亚胺薄膜炭化得到了聚酰亚胺基炭膜，其厚度为15μm。将此膜用环氧胶固定在膜池中，采用具体实施方式2，得到此无机膜对氢气(H₂)：218.6Barrer(1 Barrer＝10^-10cm³(STP).cm.cm^-2·s^-1·cmHg^-1)，二氧化碳(CO₂)：163.9Barrer，氧气(O₂)：36.6Barrer，氮气(N₂)3.3Barrer；选择性为：H₂/N₂＝66.2，CO₂/N₂＝50.2，O₂/N₂＝11.1。

实施例3

将自制的聚糠醇基管状复合炭膜用环氧胶固定在膜池中，采用具体实施方式2，并采用气相色谱分别测定了膜两侧的混和气体的组成。当进料压力为0.1MPa，进料混合气体为空气(其组成为氧气21％，氮气为79％)，混合气体通过膜后的组成为氧气68％，氮气32％，从而此膜对空气的氧氮选择性为(68/32)/(21/79)＝8.0。

Claims (4)

1.一种用气体分离膜渗透仪测定气体渗透性参数的方法，是在恒压力变体积法测定膜的气体渗透性过程中，利用上下游同时抽真空，并由与空气隔绝的毛细管流量计测定渗透气体的渗透速率，其特征在于：

(1)把待测膜样品用密封胶固定在膜池中，安放在温控箱中；在膜上下游两侧的压力差作用下待测气体从膜的上游渗透到下游，通过毛细管流量计测量渗透气体的通量计算出渗透速率和选择性；

(2)在测定过程中，膜池上游用稳压阀控制压力在大气压力以上，以避免因气体管路密封度不高造成对测定结果的影响；在下游渗透气体通量的测定采用与空气隔绝内部装有指示液的毛细管流量计，以防止空气反扩散；而在改测其它待测气体的中间过渡时，采用在膜的上下游同时抽真空，及时移除气体管路中的残留气体，并脱除吸附或溶解在膜中的气体；抽真空的时间为20min-2h、真空度为1.0×10^-1-1.0×10^-3KPa。

2.根据权利要求1所述一种用气体分离膜渗透仪测定气体渗透性参数的方法，其特征在于待测膜样品包括：平板状、管状或中空纤维状的聚合物膜或无机膜。

3.根据权利要求1所述一种用气体分离膜渗透仪测定气体渗透性参数的方法，其特征在于待测气体是纯气体或气体混合物。

4.根据权利要求3所述一种用气体分离膜渗透仪测定气体渗透性参数的方法，其特征在于毛细管流量计内装的指示液是汞、聚二甲基硅氧烷或蒸馏水。

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