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)的統稱(chēng)，其厚度可以從數微米到數毫米。我們講的“膜”（membrane）專(zhuān)指具有選擇性分離功能的材料，也稱(chēng)分離膜（separation membrane）。它可使流體內的一種或幾種物質(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，國際上也將膜定義為“一種三維結構，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)勢差作為推動(dòng)力，利用分離膜的選擇性透過(guò)功能實(shí)現對混合物中不同物質(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(chē)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)現瞬間開(kāi)停車(chē)。因此，與傳統氣體分離（如深冷、吸附分離等）相比，優(yōu)勢明顯。
2、膜的組成
膜通常由三層結構組成，即基層、支撐層和致密層。非對稱(chēng)膜由致密且薄的皮層和多孔支撐層構成，前者主要起分離作用。
圖一 膜的三層結構
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(lèi)型。聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，簡(jiǎn)稱(chēng)PVDF），聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，簡(jiǎn)稱(chēng)PDMS）是比較常見(jiàn)的二種，還有聚酰亞胺（polyimide，簡(jiǎn)稱(chēng)PI）和其它聚合物制膜材料。硅橡膠對醇類(lèi)、酚類(lèi)、酮類(lèi)、酯類(lèi)等有機物具有良好的吸附選擇性，對鹵代烴、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)機理
膜的基本傳質(zhì)機理有兩種：篩分和溶解擴散?！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，它們在膜表面的溶解速率不同，在膜體內的擴散速率也不同，從膜體解吸的速率也有差異。溶解速率高，擴散速率快的物質(zhì)透過(guò)致密膜，在膜的另一側富集。而溶解速率低，擴散速率滿(mǎn)的物質(zhì)，則大多不能透過(guò)致密膜。利用兩種物質(zhì)溶解擴散速率的差，實(shí)現了它們的相對分離。氣體分離膜，滲透汽化膜和反滲透膜的物質(zhì)機理主要是“溶解擴散”。
由于大多數膜是由有機聚合物材料制成，根據相似相溶性原理，有機氣體更易溶解在膜內，也就是說(shuō)有機氣體溶解性強。
膜對有機氣體的整個(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的擴散速率不同而帶來(lái)的分離效果。
4、氣體在橡膠態(tài)聚合物膜內的滲透
經(jīng)過(guò)以下3個(gè)步驟，由膜的高分壓側透過(guò)膜到達低分壓側：①氣體吸附溶解在膜的高分壓側；②在濃度差的作用下，溶解在高分壓側膜表面的氣體向低分壓側表面擴散；③到達低分壓側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)膜的流量計算公式如下：
圖三 電鏡下氣體分離膜的三層結構（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構（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，都有大量的有機廢氣被排放，廢氣中大多數揮發(fā)性有機物（volatile organic compounds，簡(jiǎn)稱(chēng)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(lèi)：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氣體，該氣體循環(huán)至壓縮機的進(jìn)口進(jìn)行復疊處理。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到凝結濃度，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《膜分離材料應用基礎》 作者 肖長(cháng)發(fā) 劉振等 化學(xué)工業(yè)出版社 2019年1月