李浩然(天津大學(xué),天津 300072)

1 背景

隨著幾十億年積累的化石能源在近幾百年來(lái)爆發(fā)性使用，空氣中二氧化碳的含量持續(xù)增加，直接導(dǎo)致了全球氣溫升高。為了緩解氣溫升高對(duì)人類(lèi)以及地球自然生態(tài)環(huán)境造成的威脅與破壞，必須控制因化石能源的燃燒而排放到空氣中的二氧化碳，從而達(dá)到降低氣溫升高的目的。目前，二氧化碳的捕集方法主要有物理/化學(xué)吸收法、吸附法、膜分離法等。

以上各種方法均有各自的優(yōu)、缺點(diǎn)，可單獨(dú)使用，但多數(shù)情況下結(jié)合起來(lái)使用有著更加廣闊的發(fā)展前景，例如物理化學(xué)吸收法、膜分離—吸收聯(lián)合法。在實(shí)際生產(chǎn)中需根據(jù)原料氣的組成、處理量及對(duì)二氧化碳產(chǎn)品純度的要求來(lái)選擇合適的方法。

2 膜分離法分離二氧化碳

2.1 膜分離法相關(guān)原理

膜分離技術(shù)主要是利用混合氣體中氣體與膜材料之間的物理或者化學(xué)反應(yīng)來(lái)進(jìn)行選擇性吸收與分離的技術(shù)。其原理主要是使得氣體能快速溶解于吸收液并通過(guò)分離膜或吸收膜快速傳遞，從而達(dá)到吸收氣體在膜的一側(cè)濃度降低，而在另一側(cè)富集的目的。

根據(jù)膜對(duì)氣體分離機(jī)理的不同，通?？蓪⑵浞譃榉蛛x膜和吸收膜兩類(lèi)。其中吸收膜主要是利用化學(xué)吸收液對(duì)氣體進(jìn)行選擇吸收；而分離膜起到了將與化學(xué)吸收液分隔開(kāi)的作用，使得在吸收膜的兩側(cè)形成濃度差，為吸收膜吸收做出了準(zhǔn)備。因此，在膜分離技術(shù)的實(shí)施過(guò)程中通常需要吸收膜和分離膜兩者共同來(lái)完成。

2.2 膜分離技術(shù)面的下問(wèn)題

2.2.1 高溫對(duì)膜的破壞：通常情況下所處理的煙氣具有較高溫度，若未經(jīng)低溫處理會(huì)對(duì)后期分離過(guò)程中使用的膜造成損壞。

2.2.2 其他化學(xué)物質(zhì)對(duì)膜吸收的干擾：煙氣中除外含有種類(lèi)繁多的化學(xué)物質(zhì)，會(huì)對(duì)膜吸收造成干擾，所以在分離前需要對(duì)煙氣進(jìn)行預(yù)處理或?qū)δみM(jìn)行化學(xué)處理；

2.2.3 煙氣中濃度較低：較低濃度的無(wú)疑會(huì)降低膜的吸收效率，因此處理前對(duì)于煙氣中的富集顯得尤為重要，此外也可選用高選擇性的化學(xué)吸收劑對(duì)膜進(jìn)行改性；

2.2.4 能耗問(wèn)題：處理過(guò)程中煙氣經(jīng)過(guò)膜，需要在兩側(cè)形成壓差，需要耗用額外能量。

2.3 氣體膜分離技術(shù)

2.3.1 氣體膜分離現(xiàn)狀

氣體膜分離就是在壓力驅(qū)動(dòng)下，把要分離的氣體通過(guò)膜的選擇滲透作用使其分離的過(guò)程。早在20世紀(jì)70年代初期，氣體膜分離技術(shù)已被投入工業(yè)應(yīng)用。隨著1979年Monsanto公司推出“Prism”H:/N:膜分離裝置，氣體膜分離的技術(shù)的市場(chǎng)地位得到確定。近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，也促使了該項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，氣體膜分離富氧、富氮、天然氣中酸性氣體的脫除，以及空氣和天然氣脫濕等已得到成功應(yīng)用。

2.3.2 氣體膜傳質(zhì)機(jī)理

氣體分離膜主要有4種傳質(zhì)機(jī)理，分別是依靠分子量（努森擴(kuò)散）、表面相互作用（包括表面擴(kuò)散和毛細(xì)凝聚）、分子尺寸（分子篩）進(jìn)行氣體分離

2.3.3 氣體膜分離技術(shù)的研究進(jìn)展

鑒于膜接觸器可以提供較大的接觸面積，傳統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)逐漸被疏水性微孔膜氣液接觸器所取代。同時(shí)，大量的研究關(guān)注于中空纖維膜接觸器的膜材料：聚丙烯、α-纖維素、聚偏氟乙烯、硅橡膠以及聚砜，配合無(wú)機(jī)物納米粒子應(yīng)用于不同膜材料、膜技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化了膜的氣體滲透性和選擇性。由于聚丙烯膜材料價(jià)格低廉、便于工業(yè)大規(guī)模推廣，聚丙烯材料膜的優(yōu)化成為了目前研究的重點(diǎn)。

2.3.4 氣體膜技術(shù)分離CO2存在的問(wèn)題

近年來(lái)，利用氣體膜技術(shù)除去混合氣中酸性氣體受到越來(lái)越多的關(guān)注，但研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。問(wèn)題主要存在于以下幾點(diǎn)：

2.3.4.1 膜及膜組件材料耐熱性較差：考慮到膜選擇性和滲透性的要求，目前工業(yè)應(yīng)用中主要研究方向?yàn)橛袡C(jī)高分子膜；但是相比于無(wú)機(jī)膜，其耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性以及機(jī)械強(qiáng)度都有一定的局限；

2.3.4.2 混合氣體的干擾：探究溫度、壓力對(duì)氣體膜分離過(guò)程的影響時(shí)，實(shí)驗(yàn)室采用的多為配氣（較為干凈）；而實(shí)際中由于工藝等差異，導(dǎo)致混合氣的組成十分復(fù)雜，含有的雜質(zhì)氣會(huì)影響膜的分離效果。

2.3.5 氣體膜分離技術(shù)的展望

由于操作簡(jiǎn)單靈活、環(huán)境友好，并能有效分離混合氣中酸性（）組分，氣體膜分離技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。未來(lái)其發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：

2.3.5.1 研究探索新的成膜技術(shù)，完善其理論體系，進(jìn)而指導(dǎo)合成具有理想形態(tài)結(jié)構(gòu)的材料；

2.3.5.2 將研究重點(diǎn)置于提高膜材料的氣體滲透性，選擇性，化學(xué)及機(jī)械穩(wěn)定性，同時(shí)降低價(jià)格成本提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；

2.3.5.3 改進(jìn)提升氣體膜分離技術(shù)的工藝流程，結(jié)合其他分離工藝技術(shù)發(fā)展新型集成分離技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

環(huán)境問(wèn)題的日益加劇，溫室效應(yīng)的日趨嚴(yán)重，使全球各學(xué)術(shù)界更加關(guān)注環(huán)保問(wèn)題。盡管大量研究致力于新能源的開(kāi)發(fā)與利用，但在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，人類(lèi)仍然需要依賴(lài)煤、石油等化石燃料。面對(duì)電力以及石油行業(yè)產(chǎn)生的大量含廢氣，各種煙氣分離與捕集技術(shù)正在被廣泛研究與推廣。憑借高捕集效率以及較低的捕集和再生能耗，膜分離技術(shù)有著廣闊的工藝應(yīng)用于發(fā)展前景；同時(shí)高穩(wěn)定性，高選擇性的新型膜材料的研發(fā)也是未來(lái)的發(fā)展方向和發(fā)展重點(diǎn)。