VOCs源頭回收治理技術(shù)之二：氣體分離膜
1、什么是膜
“膜”是具有隔絕作用的薄層狀物質(zhì)的統(tǒng)稱，其厚度可以從數(shù)微米到數(shù)毫米。我們講的“膜”（membrane）專指具有選擇性分離功能的材料，也稱分離膜（separation membrane）。它可使流體內(nèi)的一種或幾種物質(zhì)透過(guò)，而其它物質(zhì)不能透過(guò)，從而起到分離、純化和濃縮的作用，國(guó)際上也將膜定義為“一種三維結(jié)構(gòu)，三維中的一度尺寸要比其余兩度小得多，并可通過(guò)多種推動(dòng)力進(jìn)行質(zhì)量傳遞”。
膜有兩個(gè)突出的特征：1、膜是兩相之間的界面，分別與兩側(cè)的流體相接觸。2、膜具有選擇透過(guò)性。膜分離（separation membrane）是以外界能量或化學(xué)勢(shì)差作為推動(dòng)力，利用分離膜的選擇性透過(guò)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)混合物中不同物質(zhì)進(jìn)行分離、純化和濃縮的過(guò)程。
通常，膜分離過(guò)程具有常溫下操作，無(wú)相變化、設(shè)備體積小、生產(chǎn)過(guò)程中不產(chǎn)生污染等特點(diǎn)。
氣體分離膜開(kāi)停車是其它分離所無(wú)法比擬的，從理論上說(shuō)氣體分離可以實(shí)現(xiàn)瞬間開(kāi)停車。因此，與傳統(tǒng)氣體分離（如深冷、吸附分離等）相比，優(yōu)勢(shì)明顯。
2、膜的組成
膜通常由三層結(jié)構(gòu)組成，即基層、支撐層和致密層。非對(duì)稱膜由致密且薄的皮層和多孔支撐層構(gòu)成，前者主要起分離作用。
圖一 膜的三層結(jié)構(gòu)
基層通常采用無(wú)紡布材料，支撐層和致密層的材料有多種類型。聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，簡(jiǎn)稱PVDF），聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，簡(jiǎn)稱PDMS）是比較常見(jiàn)的二種，還有聚酰亞胺（polyimide，簡(jiǎn)稱PI）和其它聚合物制膜材料。硅橡膠對(duì)醇類、酚類、酮類、酯類等有機(jī)物具有良好的吸附選擇性，對(duì)鹵代烴、芳香烴、砒咯等也有較好的選擇性。因此，它是氣體分離膜常用的材料。
3、膜的基本傳質(zhì)機(jī)理
膜的基本傳質(zhì)機(jī)理有兩種：篩分和溶解擴(kuò)散?！昂Y分”常見(jiàn)于微濾和過(guò)濾，膜的選擇性主要可以取決于膜孔徑與顆粒物大小?！叭芙鈹U(kuò)散”則將膜的表面皮層看作是一種致密無(wú)孔的中性界面，被分離的物質(zhì)以溶解的方式進(jìn)入膜體，它們?cè)谀け砻娴娜芙馑俾什煌?，在膜體內(nèi)的擴(kuò)散速率也不同，從膜體解吸的速率也有差異。溶解速率高，擴(kuò)散速率快的物質(zhì)透過(guò)致密膜，在膜的另一側(cè)富集。而溶解速率低，擴(kuò)散速率滿的物質(zhì)，則大多不能透過(guò)致密膜。利用兩種物質(zhì)溶解擴(kuò)散速率的差，實(shí)現(xiàn)了它們的相對(duì)分離。氣體分離膜，滲透汽化膜和反滲透膜的物質(zhì)機(jī)理主要是“溶解擴(kuò)散”。
由于大多數(shù)膜是由有機(jī)聚合物材料制成，根據(jù)相似相溶性原理，有機(jī)氣體更易溶解在膜內(nèi)，也就是說(shuō)有機(jī)氣體溶解性強(qiáng)。
膜對(duì)有機(jī)氣體的整個(gè)選擇性除了溶解選擇性外，流動(dòng)選擇性是決定膜選擇性的另一個(gè)主要因素。流動(dòng)選擇性是指氣體在膜內(nèi)的擴(kuò)散速率不同而帶來(lái)的分離效果。
4、氣體在橡膠態(tài)聚合物膜內(nèi)的滲透
經(jīng)過(guò)以下3個(gè)步驟，由膜的高分壓側(cè)透過(guò)膜到達(dá)低分壓側(cè)：①氣體吸附溶解在膜的高分壓側(cè)；②在濃度差的作用下，溶解在高分壓側(cè)膜表面的氣體向低分壓側(cè)表面擴(kuò)散；③到達(dá)低分壓側(cè)膜表面的氣體從膜體中解吸。
圖二 氣體在膜中的滲透
氣體透過(guò)膜的流量計(jì)算公式如下：
圖三 電鏡下氣體分離膜的三層結(jié)構(gòu)（照片由南京碳環(huán)生物質(zhì)能源有限公司提供）
圖四 電鏡下氣體分離膜支撐層的微孔結(jié)構(gòu)（照片由南京碳環(huán)生物質(zhì)能源有限公司提供）
5、二氯甲烷等有機(jī)廢氣的源頭回收
在制藥化工、石油煉化、油墨染料、無(wú)紡布、鋰電池膜等許多工業(yè)過(guò)程中，都有大量的有機(jī)廢氣被排放，廢氣中大多數(shù)揮發(fā)性有機(jī)物（volatile organic compounds，簡(jiǎn)稱VOCs）具有毒性，且多為溫室氣體，是碳中和和污染性治理的關(guān)注點(diǎn)。VOCs的處理方法有兩類：破壞性消除法和回收法。圖五是VOCs（二氯甲烷）源頭回收的功能示意圖。
經(jīng)壓縮后的二氯甲烷有機(jī)廢氣進(jìn)入冷凝器，氣體中的一部分二氯甲烷被冷凝下來(lái)，回收后的二氯甲烷溶液可以再次使用。而未冷凝的二氯甲烷氣體進(jìn)入氣體分離膜組件，在壓力差的推動(dòng)下，二氯甲烷透過(guò)膜，透余氣為脫除二氯甲烷后的氣體，通常為空氣。透過(guò)氣中富含二氯甲烷有機(jī)氣體，該氣體循環(huán)至壓縮機(jī)的進(jìn)口進(jìn)行復(fù)疊處理。由于二氯甲烷在循環(huán)回路中的濃度逐步上升，壓縮后進(jìn)入冷凝器的二氯甲烷達(dá)到凝結(jié)濃度，二氯甲烷又被冷凝下來(lái)，成為可以被利用的液態(tài)二氯甲烷溶劑。
圖五 VOCs（二氯甲烷）源頭回收的功能示意圖
圖六 VOCs的源頭回收裝置（照片由南京碳環(huán)生物質(zhì)能源有限公司提供）
注：本文章摘錄自《膜分離材料應(yīng)用基礎(chǔ)》 作者 肖長(zhǎng)發(fā) 劉振等 化學(xué)工業(yè)出版社 2019年1月