專利名稱：一種氣體分離膜滲透儀的改進方法
技術領域：
本發(fā)明屬于化學工程技術領域，涉及到一種改進的新型氣體分離膜滲透儀。
背景技術：
膜分離技術具有高效，環(huán)保，節(jié)省能源等優(yōu)點，近幾十年來取得了突飛猛進的進展，現(xiàn)已被廣泛用于食品、生物、化工、能源、環(huán)保等諸多領域。氣體分離膜是膜科學與技術的重要組成部分，被認為是最具有發(fā)展前景的第三代氣體分離技術。氣體分離膜的滲透性參數(shù)(如滲透通量、選擇性等)的準確測定，對于膜生產工藝的改進和完善、新型膜產品的研究開發(fā)和應用至關重要。
目前，對于氣體分離膜的滲透性參數(shù)的測試方法主要采用恒體積變壓力法和恒壓力變體積法。恒體積變壓力法對滲透儀氣體管路的氣密性要求較高，使得儀器造價昂貴；另外在測定過程中為了使膜池下游達到一定的高真空度，往往需要較長的抽真空時間，因而很多研究者采用廉價、方便的恒壓力變體積法。
然而，在恒壓力變體積法測定膜氣體滲透性的裝置中，膜池下游(低壓側)往往跟大氣(皂膜流量計檢測)或吹掃氣(色譜檢測)相連通，這樣會使空氣或者色譜吹掃氣從膜的下游反擴散到膜的上游(高壓側)影響測定結果的準確性；另外此法在更換測定氣體過程中往往在上游用待測氣體長時間吹掃以排除殘留的氣體，這樣既浪費時間又浪費測定的氣體。這樣的流程裝置雖然能夠保證測試工作的正常進行，但存在的兩個問題在一定程度上影響了測定結果的準確性一是在更換測定氣體的時候難以排除被膜所吸附(無機膜)或者溶解(有機膜)的氣體，二是膜池下游的空氣(或者色譜吹掃氣)會反擴散到膜池上游。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種氣體分離膜滲透儀的改進方法，是在恒壓力變體積法測定膜的氣體滲透性過程中，1)利用在膜池上下游抽真空的方法及時排除氣體管路及膜中吸附(無機膜)或溶解(有機膜)的氣體；2)在膜池下游用與空氣隔絕的毛細管流量計測定滲透氣體的滲透速率有效防止空氣反擴散的方法。本改進方法解決了影響恒壓力變體積法測定膜滲透性能準確性的兩個問題，能夠準確測定膜的氣體滲透性參數(shù)，并節(jié)省前后測定兩種氣體的過渡時間。
本發(fā)明所提供的膜氣體滲透儀的改進方法的技術方案包括(1)把待測的膜樣品如平板、管狀或中空纖維的聚合物膜或無機膜用密封膠固定在膜池中，安放在溫控箱中；在膜上下游兩側的壓力差作用下待測氣體從膜的上游滲透到下游，通過毛細管流量計測量滲透氣體的通量便可計算出滲透速率和選擇性。
(2)在測定過程中，膜池上游用穩(wěn)壓閥控制壓力在大氣壓力以上，以避免因氣體管路密封度不高造成對測定結果的影響；在下游滲透氣體的通量的測定采用與空氣隔絕、裝有汞、聚二甲基硅氧烷或蒸餾水指示液的毛細管皂膜流量計或其它毛細管式流量測定儀或控制儀，以防止空氣反擴散。
(3)在測定完一種氣體或混合氣，改測另一種氣體或混合氣的中間過渡時，采用在膜的上下游同時抽真空，一方面及時移除氣體管路中的殘留氣體；另一方面可以脫除膜中已經吸附或者溶解的氣體；抽真空時間為20min～2h，真空度為10-1～10-3KPa；本發(fā)明的效果和益處是采用上述方案，可以保證測定的氣體滲透性參數(shù)的準確性，省時、省力、易于操作。


圖1是本發(fā)明的裝置流程示意圖。
圖中1測定氣體，2穩(wěn)壓閥，3穩(wěn)流閥，4真空度表，5真空度表開關閥，6壓力表，7、15三通閥，8抽真空泵閥，9真空泵，10氣體緩沖罐，11膜池，12毛細管流量計或色譜，13、14放空，16恒溫箱。
圖2是平板狀膜池的結構示意圖。
圖中17膜池上蓋，18膜池下蓋，19鋁薄膠粘帶，20平板膜，21濾紙，22多孔墊板，23密封墊圈。
圖3是管狀膜池的結構示意圖。
圖中24膜池上蓋，25膜固定支座，26膜池下蓋，27密封墊圈，28管狀膜。
具體實施例方式
以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的最佳實施例。
具體實施方式
1在圖2中，將平板狀膜20的上下面分別粘在環(huán)形的鋁薄膠帶19上，在多孔墊板22上面墊一層濾紙并用膠固定在膜池下蓋18的中間凹陷處，放好O形密封墊圈23，把膜池上蓋17和膜池下蓋18用六角螺釘固定上。
在圖1中，將圖2中的膜池接到帶有溫控箱的氣路11位置，設定溫控箱16的溫度。把進氣閥門1、三通閥7和15關閉，打開閥門8，閥15轉向抽真空，為防止膜破碎(無機膜，如炭膜等)和變形(聚合物膜等)首先排除下游體系內的空氣。待下游真空度有所增加之后，關閉閥2和13，打開閥5，閥7轉向抽真空，這時整個氣路的上下游都在抽真空，并通過真空表4觀察系統(tǒng)的真空度。把系統(tǒng)內殘留的氣體清除干凈后，先關閉閥11之后關閉閥15，再關閉閥8。通入下一個待測氣體，緩慢打開閥2，觀測真空表4的值，待上游真空度達到零后，把15閥轉向抽真空，下游開始充入待測氣體，待上下游的真空度都達到零后關閉閥5，把三通閥7轉向壓力表。緩慢調節(jié)穩(wěn)壓閥2和穩(wěn)流閥3，觀察壓力表6達到所需的壓力測定值，打開三通閥12，通過流量計或者色譜檢測滲透氣體通量。直到測定的前后兩個值的誤差小于5％，這樣測定3～5次，取其平均值代入下面的公式(1)，即為該氣體的滲透速率。同上步驟測定其它氣體的滲透速率，將兩種純氣體的滲透速率的比值即為該膜對這兩種氣體的理想選擇性。
Q=FluxA·ΔP/l---(1)]]>這里Q為純氣體的滲透速率，F(xiàn)lux該氣體通過膜的通量，A膜的有效滲透面積，腜膜兩側的壓力差，l膜的厚度。
具體實施方式
2在圖3中，將管狀膜28的兩端用膠封住，其中一端用膠固定在支座25上，在支座左右兩面分別墊上O型密封墊圈27，把膜池下蓋26旋進膜池上蓋24并固定好。
在圖1中，將圖3中的膜池接到帶有恒溫箱的氣路11的位置，控制恒溫箱16的溫度后。把進氣閥門1、三通閥7和15關閉，打開閥門8，閥15轉向抽真空，為防止膜破碎和變形首先排除下游體系內的空氣。待下游壓力將下來之后，關閉閥2和13，打開閥5并把閥7轉向抽真空，在整個氣路的上下游抽真空，并通過真空表4進行判斷真空達到平衡狀態(tài)。先關閉閥11之后關閉閥15，再關閉閥8。通入待測氣體，緩慢打開閥2，觀測真空表4的值，待上游真空度達到零后，把15閥轉向抽真空，下游開始充入待測氣體，待上下游的真空度都達到零后關閉閥5，把三通閥7轉向壓力表。調節(jié)穩(wěn)壓閥2和穩(wěn)流閥3，觀察壓力表6達到上游所需的壓力值后，打開三通閥12檢測滲透氣體體積單位時間內的變化值。直到測定的前后兩個值的誤差小于5％，這樣測定3～5次，取其平均值代入下面的公式(1)，即為該氣體的滲透速率。同上步驟測定其它氣體的滲透速率，將兩種氣體的滲透速率的比值即為該膜對這兩種氣體的理想選擇性。
Q=FluxA·ΔP/l---(1)]]>這里Q為純氣體的滲透速率，F(xiàn)lux該氣體通過膜的通量，A膜的有效滲透面積，腜膜兩側的壓力差，l膜的厚度。
實施例1用環(huán)氧膠把厚度為20靘，有效滲透面積為4.15cm2的圓形聚酰亞胺薄膜固定在膜池中，采用具體實施方式
1，得到了此有機薄膜對氫氣(H2)2.2Barrer(1Barrer＝10-10cm3(STP)cm cm-2穝-1穋mHg-1)，二氧化碳(CO2)1.1Barrer，氧氣(O2)0.18Barrer，氮氣(N2)0.034Barrer；選擇性為H2/N2＝64.7，CO2/N2＝32.4，O2/N2＝5.3。
實施例2將聚酰亞胺薄膜炭化得到了聚酰亞胺基炭膜，其厚度為15靘。將此膜用環(huán)氧膠固定在膜池中，采用具體實施方式
2，得到此無機膜對氫氣(H2)218.6Barrer(1Barrer＝10-10cm3(STP)cm cm-2穝-1穋mHg-1)，二氧化碳(CO2)163.9Barrer，氧氣(O2)36.6Barrer，氮氣(N2)3.3Barrer；選擇性為H2/N2＝66.2，CO2/N2＝50.2，O2/N2＝11.1。
實施例3將自制的聚糠醇基管狀復合炭膜用環(huán)氧膠固定在膜池中，采用具體實施方式
2，并采用氣相色譜分別測定了膜兩側的混和氣體的組成。當進料壓力為0.1MPa，進料混合氣體為空氣(其組成為氧氣21％，氮氣為79％)，混合氣體通過膜后的組成為氧氣68％，氮氣32％，從而此膜對空氣的氧氮選擇性為(68/32)/(21/79)＝8.0。
權利要求
1.一種氣體分離膜滲透儀的改進方法，是在恒壓力變體積法測定膜的氣體滲透性過程中，利用上下游同時抽真空，并由與空氣隔絕的毛細管流量計測定滲透氣體的滲透速率，其特征在于(1)把待測膜樣品用密封膠固定在膜池中，安放在溫控箱中；在膜上下游兩側的壓力差作用下待測氣體從膜的上游滲透到下游，通過毛細管流量計測量滲透氣體的通量計算出滲透速率和選擇性；(2)在測定完一種氣體，向另一種待測氣體過渡時，在膜的上下游同時抽真空，及時移除氣體管路中的殘留氣體；并脫除吸附或者溶解在膜中的氣體。
2.根據權利要求1所述一種氣體分離膜滲透儀的改進方法，其特征在于在膜的測定過程中，膜池上游用穩(wěn)壓閥控制壓力在大氣壓力以上；采用隔絕空氣的毛細管流量計測量下游滲透氣體的滲透速率。
3.根據權利要求1所述一種氣體分離膜滲透儀的改進方法，其特征在于下游與空氣隔絕的毛細管流量計為內部裝有指示液的皂膜流量計或其它毛細管式流量測定儀或控制儀。
4.根據權利要求1所述一種氣體分離膜滲透儀的改進方法，其特征在于抽真空過程中膜池上下游同時抽真空，抽真空時間為20min～2h，真空度為10-1～10-3Kpa。
5.根據權利要求1所述一種氣體分離膜滲透儀的改進方法，其特征在于可測定的膜樣品包括平板、管狀或中空纖維聚合物膜或無機膜。
6.根據權利要求1所述一種氣體分離膜滲透儀的改進方法，其特征在于待測氣體是純氣體或氣體混合物。
7.根據權利要求3所述一種氣體分離膜滲透儀的改進方法，其特征在于毛細管流量計內裝的指示液是汞、聚二甲基硅氧烷或蒸餾水。
8.根據權利要求6所述一種氣體分離膜滲透儀的改進方法，其特征在于待測氣體是氣體混合物時，用氣相色譜測定其組成。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學工程技術領域，涉及到一種氣體分離膜滲透儀的改進方法。其特征在于采用恒壓力變體積法測定膜氣體滲透性的過程中，在膜池上下游采用抽真空的方法，及時排除氣體管路及膜中吸附(無機膜)或者溶解(有機膜)的氣體；另外下游采用與空氣隔絕的毛細管皂膜流量計測量氣體滲透速率可有效地防止空氣反擴散。本發(fā)明的效果和益處是解決現(xiàn)有恒壓力變體積法測定膜氣體滲透性能中存在問題，節(jié)省前后兩種測定氣體轉換的過渡時間，并防止和避免空氣反擴散對測定結果準確性的影響。
文檔編號B01D53/22GK1830524SQ20051020079
公開日2006年9月13日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權日2005年12月13日
發(fā)明者王同華, 張兵, 邱介山 申請人:大連理工大學