CN108815998B - 一种电负性气体电迁移膜分离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电负性气体电迁移膜分离方法，将待分离的电负性和非电负性混合气体通入气体分离装置，利用气体分离装置内的电子发生器产生电子，混合气体中的电负性气体与电子发生碰撞后生成稳定的负离子或负离子簇，随气流一起进入气体分离装置中由阴极和阳极组成的电场，电场内靠近阳极内侧设有气体分离膜，负离子或负离子簇在电场力和气体分离膜两侧浓度差的推动下渗透穿过气体分离膜，对穿过气体分离膜后的气体进一步收集，实现电负性和非电负性混合气体的分离。本发明方法可大幅降低膜气体分离的系统阻力，尤其适用于O2、H2S、SO2等电负性气体与N2、H2等非电负性气体的分离，可实现气体的低能耗、高效率分离。

Description

一种电负性气体电迁移膜分离方法
技术领域
本发明属于气体分离领域，具体涉及一种电负性气体电迁移膜分离方法。
背景技术
工业气体是现代工业的基础原材料，广泛应用于冶金、石油、化工、医疗、环保、机械、军事等多个领域，对国民经济的发展有着战略性的先导作用，被誉为工业的血液。气体分离是工业气体制备的主要手段，越来越受到各行各业的关注。
常用的气体分离方法有吸收法、吸附法和膜分离法等。
吸收法是根据混合气体中各组分在特定吸收液中溶解差异进行气体分离的方法，根据溶解气体是否与吸收液发生化学反应可分为物理吸收法和化学吸收法；常用于盐酸、硫酸制取，石油馏分混合气体分离，燃煤烟气净化以及有毒有害尾气脱除等，具有吸收效率高，运行稳定等优点。但该方法是吸收液作用于全部待分离气体，运行成本高、设备及运行要求严、产生废水污染、排气湿度大等缺点。
吸附法是利用吸附性能强的多孔材料(活性炭、硅藻土等)根据气体各组分吸附差异的特征对气体进行分离的方法。常用于天然气、沼气中CO2的捕集，锅炉烟气治理中低浓度汞等有毒有害物质去除和日常生活中有机废气的吸收等。该方法具有设备简单、无相变、可回收有用组分等优点，但存在占地面积大、吸附剂更换或再生、吸附物质后续处理等缺点。
膜分离法是近几十年才发展起来的一种新型高效气体分离技术。该技术根据不同气体分子对膜材料渗透率的差异，以膜两侧气体的浓度差或压力差为驱动力，达到气体分离的目的。常用于合成氨厂驰放气中H2回收，天然气中CO2和H2S的净化，空气制氮、氧气富集，烟气除湿等领域。该方法具有接触面大、传质速率高、适应性强、无相变、无二次污染等优点，在气体分离领域具有广泛的应用前景。但为了实现气体分子向膜表面的迁移，需外界提供较大的推动力，存在系统阻力大、能耗高、膜组件易损等缺点。
电迁移是一种高效的气体处理方法。在电除尘器中，电晕放电产生的大量电子在电场力作用下发生定向迁移，在迁移过程中电子与粉尘颗粒发生碰撞并使粉尘颗粒荷电，荷电后的粉尘颗粒在电场力的作用下向阳极板运行，从而实现粉尘从烟气中的分离。该方法作用对象为烟气中的粉尘颗粒，不能实现烟气组分的分离。在烟气治理方面，王祖武等研究结果表明，电晕放电产生的大量自由电子在电场力作用下向阳极迁移的过程与SO2、NO等电负性气体分子碰撞荷电，带电后的SO2、NO等电负性气体分子在电场力的作用下向置于阳极侧的吸收液迁移，增加SO2、NO从烟气中向吸收液扩散的速率，大幅提高SO2、NO的脱除率。该方法作用对象为SO2、NO等少量能被吸收液吸收的气体，而迁移至吸收液表面的O2等不能被吸收液吸收的电负性气体重新从吸收液中析出，不能实现电负性气体与非电负性气体的分离；为了实现SO2、NO的快速吸收，吸收液也仅限于KMnO4、H2O2等特定的能与SO2、NO等快速发生化学反应的试剂；这种通过化学反应将SO2、NO等固定在吸收液中的处理方式，存在被吸收的SO2、NO等综合利用难，吸收液需后续处理等弊端；此外，O2等不能被吸收液吸收的电负性气体重新从吸收液中解析时会携带部分水分子，增加烟气湿度。
因此，根据现有烟气处理或气体分离的需求，针对电负性气体和非电负性气体，有必要设计一种高效的分离方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种电负性气体电迁移膜分离方法，其特征在于，包括如下步骤，将待分离的电负性和非电负性混合气体通入气体分离装置，利用气体分离装置内的电子发生器产生电子，混合气体中的电负性气体与电子发生碰撞后生成稳定的负离子或负离子簇，负离子或负离子簇和未荷电的非电负性气体随气流一起进入气体分离装置中由阴极和阳极组成的电场中，电场内靠近阳极内侧设有气体分离膜，负离子或负离子簇在电场力和气体分离膜两侧浓度差的推动下渗透穿过气体分离膜，对穿过气体分离膜后的气体进一步收集，实现电负性和非电负性混合气体的分离。
所述的气体分离装置的具体结构特征为：包括两端开口中部连通的装置主体，位于装置主体两端的进气口和出气口之间依次为电子发生段和电场段，电子发生段内设有向装置主体内凸出设置的放电极，放电极为由并排平行设置的若干电极组成的电极簇，放电极外部连接开关和负高压电源，电场段由上下相对的阴极和阳极组成，阴极通过电源线外接开关和负高压电源，阳极接地，电场段内靠近阳极内侧设有气体分离膜，阳极外侧设有电负性气体收集结构。
所述的电负性气体收集结构为开设在电场段阳极下方的两个气体收集口，对渗透到该区域的气体利用负压抽取或正压吹扫的方式进行收集。
所述的电负性气体收集结构为设置在电场段内气体分离膜下方的吸收液池，阳极设置于吸收液内，使得渗透到该区域的电负性气体被吸收液吸收，吸收液组份和浓度根据待吸收气体性质进行具体选择。
所述电子发生段采用两端开口大中部通道窄的文丘里管制作，或将电子发生器的放电极错落布置，强化电负性气体与电子的接触。
所述放电极为尖端放电极或线状放电极等，具体形状、大小和材质按需要选择。
所述气体分离器的电子发生段和电场段尺寸根据电场条件、气体参数和制作成本综合考虑设计。
所述电负性气体为含有强电负性元素(如S、O、F、Cl等)的气体，电负性气体在与电子碰撞过程中，能捕获电子形成负离子或负离子簇，如SO2、NO、H2S和卤化物(HF、HCl)等。
所述电子发生器产生电子的方式为通过高电压激发气体放电的电晕放电方式或通过热致电离方式，所述电场内阴极为放电性能较弱的板电极或线电极，阳极为导电性能强的滤网结构。
所述气体分离膜为由高分子材料和无机材料中的一种或多种混合制作而成，膜的厚度、孔径大小和孔隙率等根据待分离气体的特性而选择。
本发明具有如下优点：
本发明提供了一种直接作用于待分离气体中特定组份的气体膜分离方法，可大幅降低膜气体分离的系统阻力，尤其适用于O2、H2S、SO2等电负性气体与N2、H2等非电负性气体的分离，利用电负性气体易捕获电子形成稳定负离子或负离子簇的特点，将电场力直接作用于荷电后的O2、H2S、SO2等电负性气体分子，解决传统气体膜分离技术推动力作用于全部待分离气体存在的系统阻力大、能耗高、膜组易损等问题，可实现气体的低能耗、高效率分离。
附图说明
图1为本发明气体分离装置结构示意图；
其中：1-进气口，2-文丘里管，3-阴极，4-开关，5(HV)-负高压电源，6-出气口，7-气体分离膜，8-阳极，9-气体收集口，10-放电极，e-电子，A-电负性气体分子，B-非电负性气体分子，C-电负性气体分子与电子碰撞后产生的负离子或负离子簇，F-电场力。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1所示，一种电负性气体电迁移膜分离方法，包括如下步骤，将待分离的电负性和非电负性混合气体通入气体分离装置，利用气体分离装置内的电子发生器产生电子，混合气体中的电负性气体与电子发生碰撞后生成稳定的负离子或负离子簇，负离子或负离子簇和未荷电的非电负性气体随气流一起进入气体分离装置中由阴极和阳极形成的电场，电场内靠近阳极内侧设有气体分离膜，负离子或负离子簇在电场力和气体分离膜两侧浓度差的推动下渗透穿过气体分离膜，对穿过气体分离膜后的气体进一步收集，实现电负性和非电负性混合气体的分离。
气体分离装置的具体结构特征为：包括两端开口中部连通的装置主体，位于装置主体两端的进气口1和出气口6之间依次为电子发生段和电场段，电子发生段内设有向装置主体内凸出设置的放电极10，放电极10为平行并排设置的若干电极簇，放电极10外部连接开关和负高压电源，电场段由上下相对的阴极3和阳极8组成，阴极3通过电源线外接开关4和负高压电源5，阳极8接地，电场段内靠近阳极8侧设有气体分离膜7，阳极8外侧设有电负性气体收集结构。
电负性气体收集结构为开设在电场段阳极下方的两个气体收集口9，气体穿过分离膜7后将电荷传递给阳极8后还原为气体分子，对渗透到该区域的气体利用负压抽取或正压吹扫的方式进行收集。
电负性气体收集结构为设置在电场段内气体分离膜7下方的吸收液池，阳极8设置于吸收液内，使得渗透到该区域的气体被吸收液吸收，吸收液组份和浓度根据待吸收气体性质进行具体选择。
电子发生段采用两端开口大中部通道窄的文丘里管2制作，或将电子发生器的放电极错落布置，强化电负性气体与电子的接触。
放电极10为尖端放电极或线状放电极等，如芒刺、鱼骨针、麻花线等，具体形状、大小和材质按需选择。
气体分离器的电子发生段和电场段尺寸根据电场条件、气体参数和制作成本综合考虑设计。
电负性气体为含有强电负性元素(如S、O、F、Cl等)的气体，电负性气体在与电子碰撞过程中，能捕获电子形成负离子或负离子簇，如SO2、NO、H2S和卤化物(HF、HCl)等。
电子发生器产生电子的方式为通过高电压激发气体放电的电晕放电方式或通过热致电离方式。电晕放电的原理为：电晕极与高压电源相连，当电压升至一定高度时，金属电晕极表面释放出电子，在电场力的作用下电子向阳极迁移过程中与电晕极附近的气体分子发生碰撞并使之离子化，又产生许多电子的过程，也称为电子雪崩。
气体分离膜为由高分子材料和无机材料中的一种或多种混合制作而成，膜的厚度、孔径大小和孔隙率等根据待分离气体的特性而选择
发明人利用本发明方法中的气体分离装置，进行了电场对电负性气体(SO2)和非电负性气体(N2)分离的试验，采用吸收液对电负性气体进行吸收，试验条件：烟气流速为0.1m/s，吸收液NaOH浓度为0.05M，选用PTFE膜作为分离膜，后级电场的电压依次取0kV、5kV、10kV、15kV时，SO2从混合气体(SO2与N2的混合物)中分离率分别为56％、58％、71％、89％，实验结果表明：在一定程度内，随着后级迁移电场电压的升高，SO2的分离率逐渐升高，通过改变电子发生器的放电条件或降低流经气体分离装置的烟气流速等参数，SO2的分离率可达到95％以上，在具体气体分离应用中，根据需要达到的分离等级，结合工程成本综合考虑，对气体分离装置内电子发生器和电场进行具体条件选择和尺寸设计。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (5)

1.一种电负性气体电迁移膜分离方法，其特征在于，包括如下步骤：将待分离的电负性和非电负性混合气体通入气体分离装置，利用气体分离装置内的电子发生器产生电子，混合气体中的电负性气体与电子发生碰撞后生成稳定的负离子或负离子簇，负离子或负离子簇和未荷电的非电负性气体随气流一起进入气体分离装置中由阴极和阳极组成的电场，电场内靠近阳极内侧设有气体分离膜，负离子或负离子簇在电场力和气体分离膜两侧浓度差的推动下渗透穿过气体分离膜，对穿过气体分离膜后的气体进一步收集，实现电负性和非电负性混合气体的分离；
所述的气体分离装置的具体结构特征为：包括两端开口中部连通的装置主体，位于装置主体两端的进气口和出气口之间依次为电子发生段和电场段，电子发生段内设有向装置主体内凸出设置的放电极，放电极外部连接开关和负高压电源；
电场段由上下相对的阴极和阳极组成，阴极通过电源线外接开关和负高压电源，阳极接地，电场段内靠近阳极内侧设有气体分离膜，阳极外侧设有电负性气体收集结构；
所述的电负性气体收集结构为设置在电场段内气体分离膜下方的吸收液池，阳极设置于吸收液内，使得渗透到该区域的电负性气体被吸收液吸收，吸收液组份和浓度根据待吸收气体性质进行具体选择；
所述的电负性气体收集结构为开设在电场段阳极下方的两个气体收集口，对渗透到该区域的气体利用负压抽取或正压吹扫的方式进行收集；
所述电子发生段采用两端开口大中部通道窄的文丘里管制作，或将电子发生器的放电极错落布置，强化电负性气体与电子的接触；
所述气体分离器的电子发生段和电场段尺寸根据电场条件、气体参数和制作成本综合考虑设计。
2.如权利要求1所述的一种电负性气体电迁移膜分离方法，其特征在于：所述放电极为尖端放电极或线状放电极，具体形状、大小和材质按需要选择。
3.如权利要求1所述的一种电负性气体电迁移膜分离方法，其特征在于：所述电负性气体为含有强电负性元素的气体，电负性气体在与电子碰撞过程中，捕获电子形成负离子或负离子簇。
4.如权利要求1所述的一种电负性气体电迁移膜分离方法，其特征在于：所述电子发生器产生电子的方式为通过高电压激发气体放电的电晕放电方式或通过热致电离方式。
5.如权利要求1所述的一种电负性气体电迁移膜分离方法，其特征在于：所述气体分离膜为由高分子材料和无机材料中的一种或多种混合制作而成，膜的厚度、孔径大小和孔隙率根据待分离气体的特性而选择。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01270924A (ja) * 1988-04-25 1989-10-30 Matsushita Electric Works Ltd 気体膜分離装置
JPH1099665A (ja) * 1996-09-27 1998-04-21 Japan Gore Tex Inc 気体分離膜および気体分離法
JP3943251B2 (ja) * 1998-06-30 2007-07-11 株式会社コガネイ オゾンおよびイオンの発生装置
JP2006035038A (ja) * 2004-07-23 2006-02-09 Renesas Technology Corp 空気清浄器
CN101983758B (zh) * 2010-10-21 2013-06-12 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 高分子/无机纳米复合分离膜及其制备方法
US8906137B2 (en) * 2010-10-22 2014-12-09 Koninklijke Philips N.V. Arrangement and method for separating oxygen
CN102274677B (zh) * 2011-02-10 2013-11-27 天津工业大学 一种膜法气体分离的装置和方法
CN103611419B (zh) * 2013-10-14 2016-03-30 浙江工商大学 电晕放电与液相氧化脱除燃煤烟气中so2和nox的方法
WO2016104048A1 (ja) * 2014-12-26 2016-06-30 日本碍子株式会社 ガス分離方法
CN107930851A (zh) * 2017-11-23 2018-04-20 北京东方计量测试研究所 一种静电除尘装置

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