概述了氣體分離膜過(guò)程，并且對(duì)各種具有氣體分離功能的聚合物膜材料的起源與研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并指出了聚合物氣體分離膜材料應(yīng)具有的特性。

一、氣體膜分離過(guò)程

氣體膜分離的歷史可追溯到1831年，當(dāng)時(shí)英國(guó)人J.V.Mitchell發(fā)表了研究氣體透過(guò)橡膠膜的文章。后來(lái)，Graham提出了氣體透過(guò)橡膠膜的溶解-擴(kuò)散-蒸發(fā)機(jī)理。至此，人們對(duì)膜氣體滲透有了初步的認(rèn)識(shí)。

氣體膜分離過(guò)程是一種以壓差為驅(qū)動(dòng)力的過(guò)程。當(dāng)有高壓氣源時(shí)，采用膜法進(jìn)行氣體分離常常是很有效的，因?yàn)闊o(wú)需外加功率消耗即可得到高的滲透流量，操作在高壓力比條件下可以實(shí)現(xiàn)有效分離。在低壓氣源時(shí)，提供分離所需的驅(qū)動(dòng)壓力差有兩種方式：一種是原料氣加壓；另一種是滲透氣側(cè)抽空形成負(fù)壓以提供所需壓差。

氣體膜分離的效率可用產(chǎn)品純度和回收率來(lái)討論，它們是由膜自身特性(滲透系數(shù)和分離系數(shù))和操作條件所確定。操作條件包括原料氣和滲透氣的壓力和各組分分壓，原料氣流速和其壓力降。這些因素將確定所需膜面積和功率消耗，從而給出該過(guò)程的經(jīng)濟(jì)評(píng)估。

二、有機(jī)聚合物氣體分離膜材料

氣體分離膜材料可分為有機(jī)聚合物膜材料和無(wú)機(jī)膜材料兩大類(lèi)，這里重點(diǎn)介紹有機(jī)聚合物膜材料。

1.纖維素類(lèi)膜材料

J.P.Agrawal和S.Sourirajan在20世紀(jì)60年代就進(jìn)行了醋酸纖維素膜分離氦氣的研究。后來(lái)AirProduct的Separex氣體分離器使用的也是醋酸纖維素材料。W.J.Koros等許多科研工作者還分別對(duì)醋酸纖維素材料的氣體滲透行為進(jìn)行了分析。

后來(lái)人們對(duì)醋酸纖維素膜的改進(jìn)主要集中在共混膜、復(fù)合膜和一些工藝的研究，以達(dá)到提高氣體滲透率、降低操作壓力的要求。

2.聚二甲基硅氧烷和聚炔類(lèi)膜材料

聚二甲基硅氧烷類(lèi)材料是硅橡膠的一種，而硅橡膠是人類(lèi)最早進(jìn)行氣體滲透行為研究的，早在19世紀(jì)人們就對(duì)它的氣體滲透行為進(jìn)行了研究。后來(lái)人們又合成了許多種類(lèi)的硅橡膠，聚二甲基硅氧烷就是這些合成材料中的一大類(lèi)。近幾年P(guān)innau等人對(duì)烴類(lèi)在聚二甲基硅氧烷中的滲透進(jìn)行了研究。我國(guó)蘭州化學(xué)物理研究所已研制出了以聚砜為支撐膜，以聚二甲基硅氧烷為分離層的中空纖維膜組件。

3.聚烯烴類(lèi)膜材料

這類(lèi)材料是工業(yè)應(yīng)用較早的氣體分離膜材料。DowChemical公司就采用聚4-甲基-1-戊烯為膜材料研制氣體分離器。但其缺點(diǎn)是氣體滲透率很低，所以，在后來(lái)的聚烯烴氣體分離膜材料的研究中，使用較多的是聚乙烯以及聚丙烯。

4.聚碳酸酯類(lèi)膜材料

D.R.Paul和W.J.Koros等人測(cè)試了不同溫度下、含有不同取代基的聚碳酸酯的氣體滲透性能。這些取代聚碳酸酯包括四甲基聚碳酸酯(TMPC)、四甲基六氟聚碳酸酯(TMHFPC)、雙酚Z聚碳酸酯(PCZ)和各種鹵代聚碳酸酯等。聚碳酸酯分子鏈具有很高的剛性，因此其最主要的缺點(diǎn)是材料非常脆，易開(kāi)裂；并且其耐溶劑性和耐磨損性較差；在高溫下易導(dǎo)致材料的老化。因此，在實(shí)際制膜中聚碳酸酯的應(yīng)用并不多，但以其作為玻璃態(tài)聚合物氣體分離膜材料進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)的研究較多[1]。

5.聚酰亞胺類(lèi)膜材料

聚酰亞胺(PI)和聚醚酰亞胺(PEI)是應(yīng)用較多的氣體分離膜材料。

5.1聚酰亞胺(PI)

PI是一類(lèi)環(huán)鏈化合物，最早是由Bogert和Renshaw在1906年合成的。PI在20世紀(jì)80年代中期已受到了重視，以其優(yōu)良的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性首先用于氣體分離膜上[2]。特別是在一些具有很強(qiáng)工業(yè)背景的分離體系上，如H2/N2、O2/N2、H2/CH4、CO2/N2、CO2/CH4等。

5.2聚醚酰亞胺(PEI)

T.A.Barbari等在20世紀(jì)80年代報(bào)道了PEI材料的氣體滲透性能。后來(lái)許多研究工作者又制備了PEI不對(duì)稱(chēng)膜。1987年P(guān)einemann利用水不溶解鹵代烴作溶劑和各種有機(jī)非溶劑作非溶劑與凝膠劑，報(bào)道了制備平板PEI不對(duì)稱(chēng)膜的方法。1998年Wang等以PEI/NMP/乙醇(非溶劑)為鑄膜液和水為芯液，研究了各種因素對(duì)PEI中空纖維不對(duì)稱(chēng)氣體分離膜性能的影響。

6.聚砜類(lèi)膜材料

6.1聚砜(PSf)

PSf在氣體膜分離領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用比較早，早期的工業(yè)化氣體分離器Monsanto的Prism分離器使用的就是聚砜材料[3]。該材料的分子結(jié)構(gòu)賦予其較好的抗氧化性，較高的剛性、抗蠕變性和較強(qiáng)的尺寸穩(wěn)定性、耐溫性。20世紀(jì)80年代，T.A.Barbari等報(bào)道了PSf材料的氣體滲透性能。總的來(lái)講，PSf材料的氣體滲透率較低，這是它的最大缺點(diǎn)。因此許多研究者從制膜工藝、復(fù)合膜的研制等方面入手，來(lái)彌補(bǔ)材料本身的這一缺點(diǎn)。

6.2聚醚砜(PES)

PES與PSf性質(zhì)基本相同，只是由于PES中沒(méi)有脂肪烴集團(tuán)，因而其熱穩(wěn)定性較PSf略高一些。1993年H.Kumazawa等報(bào)道了PES材料的氣體滲透性能，并制備了PES非對(duì)稱(chēng)平板膜。對(duì)PES氣體分離膜研究最多的是新加坡國(guó)立大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)，他們研究了各種配方、工藝對(duì)膜性能的影響。

7.含二氮雜萘結(jié)構(gòu)的聚芳醚砜酮(PPESK)

含二氮雜萘結(jié)構(gòu)的聚芳醚砜酮（PPESK）是由大連理工大學(xué)于1993年研制成功的一種耐高溫特種聚合物，分子鏈結(jié)構(gòu)使聚合物的自由體積增大，使其具有良好的滲透性和選擇性，是一種理想的膜材料。蹇錫高等報(bào)道了該材料的氣體滲透性能，結(jié)果表明PPESK材料制得的膜具有良好的耐熱性、選擇性和滲透性，具備在高溫下進(jìn)行氣體分離的應(yīng)用潛力。

三、聚合物氣體分離膜材料特性

聚合物氣體分離膜材料應(yīng)該對(duì)透過(guò)組分有好的親和性，從而保證膜材料具有高滲透量、高選擇性；膜材料應(yīng)該具有適宜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、結(jié)晶狀態(tài)，以保證膜材料的耐高溫性能；膜材料分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)穩(wěn)定性好，使材料的抗化學(xué)腐蝕、抗污染性能提高；高分子氣體分離膜材料應(yīng)有相應(yīng)的制膜方法，即適合的溶劑、重現(xiàn)性良好的制膜工藝等，這樣才能制備高質(zhì)量的氣體分離膜。