膜法气体分离技术经过二十多年迅猛的发展, 技术日益成熟, 因其简便、经济、操作灵活而日益受到普遍欢迎, 已成为与变压吸附（PSA）、深冷分离并存的三大主要气体分离技术。

   提起膜的性能，人们马上想到的是高的选择性和高的渗透性，这是正确的；但是人们往往忽略了膜性能的另一面即其物理、化学性能的重要性。这里提到的膜的物理、化学性能是指与膜的分离性能有关的一些物理、化学特征，并非指所有的，简单说就是膜的使用条件及抗污染物的能力。这两方面是相辅相成的。

人类对气体在膜中传送的研究已有100多年的历史, 对单一气体在聚合物及其膜中传送、不同气体在膜中传送速率进行了大量的研究, 为工业化应用打下了较好的理论基础. 1831年，JV MITCHELL就发现了不同气体分子透过膜的速率不同的现象，到1977年美国MONSANTO公司率先推出了商品化的普里森（Prism®）气体膜分离装置，用于合成气H2/CO的比例调节，气体膜分离技术真正工业化，由此开始，膜法气体分离技术在含氢混合气的氢气分离回收、空分富氧制氮、空气脱水及天然气处理等领域得到了广泛的应用。MONSANTO公司也因其在发展气体膜分离技术方面所作的特殊贡献而荣获1981年的Kirkpatric化学工程成就奖。气体膜分离技术商品化、工业化的历史是探寻有高选择性又有高渗透性的膜材料和制备有高选择性又有高渗透性的膜的过程，也是使膜分离技术更便于使用、更易于实际操作的过程，也就是使其物理、化学特征能满足实际工作环境要求的过程。

以下从膜分离的工作原理、膜的性能、膜组件和系统的工艺流程来说明影响气体膜分离的因素，从而能全面认识和理解膜分离的性能。

1、膜分离工作原理

    膜的工作原理就是利用一种高分子聚合物薄膜来选择“过滤”进料气而达到分离的目的。当两种或两种以上的气体混合物通过聚合物薄膜时，各气体组分在聚合物中的溶解扩散系数的差异，导致其渗透通过膜壁的速率不同。由此，可将气体分为“快气”（如H2O、Ｈ2、Ｈe等）和“慢气”（如Ｎ2、ＣＨ4及其它烃类等）。当混合气体在驱动力—膜两侧相应组分分压差的作用下，渗透速率相对较快的气体优先透过膜壁而在低压渗透侧被富集，而渗透速率相对较慢的气体则在高压滞留侧被富集。各气体渗透量可表示为

    Qi=(P/l)i*A*(Pxi-pyi)

式中Qi——气体组分i的渗透量

(P/l)i——气体组分i的渗透系数

A——膜面积

P——原料气压力

p—— 渗透气压力

xi——气体组分i在原料气中的体积分数

yi——气体组分i在渗透气中的体积分数、

从上式可以看出：膜的分离选择性（各气体组分渗透量的差异）、膜面积和膜两侧的分压差构成了膜分离的三要素。其中，膜分离的选择性取决于制造商选用的膜材料及制备工艺，是决定膜分离系统性能和效率的关键因素。

2、 膜的性能

 2．1膜材料和制膜工艺对膜的性能的影响.膜性能的好坏是由膜材料及其结构形态,制备工艺决定:

2.1.1 高分子分离膜材料

制备膜的材料一般包括纤维素衍生物类、聚砜类、聚酰胺类、聚酰亚胺类、聚酯类、聚烯烃类、合硅聚合类、含氟聚合物等高分子聚合物. 不同的膜材料对膜的性能有着决定性的影响. 普里森膜的材料是聚砜、疏水材料; GENERON膜的材料是聚苯烯类聚合物PMP，MEDAL膜的材料是聚跣亚鞍类聚合物，这些材料都是亲水材料。

2.1.2制膜工艺

高性能有机高分子分离膜的制备需具备以下条件:

1)  膜要有高的分离系数和高的透量.

2)      膜要有强的抗物理、化学和微生物侵蚀的性能.

3)  膜有好的柔韧性和足够的机械强度.

4)  膜的使用寿命长, 适用PH范围广.

5)  成本合理, 制备方便, 便于工业化生产.

    膜从形态结构上可分为均质膜和非对称膜(复合膜), 不同类型膜的制备工艺不同:

均质膜的制备方法为干法喷丝. 其结构超薄的纤维管壁、内径小、 过渡层薄、对水极度敏感；复合膜的制备工艺为包覆法,干湿法纺丝. 其结构内径大、 管壁厚、 过渡层厚而结实、疏水. 普里森膜是梯度致密的中空纤维复合膜。梯度致密------很薄的致密分离层及多孔网状支撑层使得膜在能承受两侧较大压差的同时，气体通过膜壁的阻力很低，有较高的渗透速率；中空纤维------在细小的空间中提供巨大的分离面积，使膜分离器紧凑高效；复合涂层------防止机械缺陷产生孔道筛分而降低分离系数。GENERON膜和MEDAL膜均属均质膜，干法喷丝. 其结构超薄的纤维管壁、内径小、 过渡层薄、对水极度敏感.

        2.1.3 膜的结构 即使同一材料制备的膜。如果制膜工艺不同，膜结构差别很大。 膜结构从纤维来分主要有对称和非对称、致密和多孔、皮层、过渡层和支持层、孔形状、孔径及其分布、孔隙率、空隙率和皮层粗慥度等等；从组件结构来说有内压式、外压式、平行开放式、缠绕式等。与膜性能密切相关是膜孔径、孔隙率和膜厚度及组件结构、丝的长度等。如丝内径太小或缠绕式的膜则不大适应风沙较大的野外作业。

2.2 膜的性能

膜的性能分两个方面: 分离透过特性和物理、化学特性. 分离透过特性包括分离系数, 渗透系数和渗透速率,这些都是大家所了解的; 物理和化学特性指膜的使用条件、机械强度、亲水和疏水性等等,这被忽略. 其实两方面相辅相成, 缺一不可. 有高的分离性和高透量但使用条件复杂,有机械缺陷,对水敏感,液态水将对纤维即刻形成不可修复的永久性损害，即使水处于气态的潮湿气体也将使膜的性能快速衰减，对环境的适应能力差,抗衰减性差的也不能说是优质的膜.在有些环境和运行条件下,膜的高分离和大透量也不能有效发挥出来.

2.2.1 膜的分离、透过特性

 A． 溶解度系数: 溶解度系数是表示聚合物对气体的溶解能力.溶解度系数与被溶解的气体及高分子种类有关.

B． 扩散系数: 扩散系统表示由于分子链热运动使分子在膜中传递能力的大小.由于气体分子在膜中传递需要能量来排开链与链之间一定体积,而能量大小与分子直径有关.因此,扩散系数随分子增大而减少.

C． 渗透系数: 气体透过膜的能力可以用渗透系数表示.根据溶解-扩散机理,渗透系数等于溶解度系数和扩散系数的乘积.

D． 分离系数: 分离系数反映膜对不同气体分离能力大小。取决于气体中各组分在膜中的渗透率之比。

以上四个特征为膜或/和膜组件本身的特性，是膜的生产厂家和研究机构所应多关注的因素，当然也为膜的用户所重视。膜的分离、渗透特性决定膜的使用条件，但使用条件又制约着膜的分离性能，这就是膜的物理、化学特征。

 2.2.2 膜的物理、化学性能

1)  膜的耐压强度： 膜在压力作用下抗压塌能力。膜在长期压力作用下，膜层逐渐被压密，渗透通道受阻，导致渗透性能下降。——由此要求改进膜的结构，提高膜的抗冲击、抗压性能。

一般膜生产厂家都会说明产品的压力范围。普里森富氧富氮膜的最高使用压力可到27Bar，过度层厚而坚实耐压、抗冲击能力强，其它膜要达到这样的使用压力需要特别的钢制外壳。

2)  温度范围： 对聚合物而言，使用温度越高，适应环境能力强，渗透速率越大，但使用温度受膜耐冷/热性限制；对高温度人们的认识要多一点，而膜对低温度的适应能力也不要忽视。比如膜的存放条件，在较热的地方，水份较高，对膜是否有影响？在比较冷的地区，温度在零下二、三十度，在野外作业是否可以？正常工作时膜在操作温度下工作的，没有问题；一旦停止运行，系统温度降至环境温度，膜是否会发脆？膜的结构是否会受损？从而影响和降低膜选择分离性能或膜的正常使用和膜的寿命。

温度的另一方面是与膜的亲水与否有很大的关系，在膜的水解中具体介绍。

3)  膜的污染：一些大分子的有机物、悬胶体、杂质等对膜纤维的粘贴堵塞。普里森膜内径大不易堵塞；，抗化学污染能力强，适应环境范围宽，空气含油量<20PPM即可；耐酸碱环境，不水解，允许空气露点温度高达43℃；耐温抗老化，工作温度可高达65℃, 所以服役寿命长．GENERON膜和MEDAL膜特别细易堵塞，膜壁薄抗冲击能力弱；使用条件严格。

4) 膜的亲水和疏水性：该性能与膜的渗透有密切的关系，也决定了膜的应用范围。膜必须在自然的环境中保存和工作，空气中水气在不同的温度和压力下，会以液态的形式存在。这些情况与膜的使用环境密不可分，这时膜的亲/疏水性极为重要。如UBE和MEDAL膜在其使用条件中明确指出水会对膜造成不可修复的损害，对膜的保存和使用有比较严格和苛刻的要求（见附件1、UBE膜的使用条件和附件2、MEDAL的操作规程）。普里森富氧富氮膜为疏水膜，液态水如附在膜表面，会影响膜的渗透性能，但可通过提高操作温度或反吹来带走水，从而恢复膜的渗透性能，对膜本身没有损害。

3．膜分离器

不管是板框式、螺旋卷式和中空纤维式分离器，尽管他们在形式上有很大的区别，但膜分离器的设计的出发点是相同的，即尽量提高单位体积分离器的膜面积、尽量减少原料气和渗透气侧的压力降、保证气体在分离器内流动分布均匀，并与膜充分接触。在分离器中，膜经适当组装、固定和密封等工序后形成合适的气流通道，所以通常，分离器的内部结构在组装时被固定，不可随意卸开。现在国内有不少厂家为了节省成本，从国外进口膜丝束，自己配套外壳，这是否能达到如上的要求是需要实践的考验的。另外有一种观点，认为外壳是钢的就比较安全可靠，这是曲解。对于高压条件下，必须使用钢的外壳；而低压，又特别是内压式的，外壳非压力容器，钢制外壳并非合理的选择。其一、钢制外壳易生成锈垢等，其二、钢制外壳易使气体在壳内形成水等液态，其三、增加膜组件的重量等，这些有可能对膜丝工作和系统配置构成不良的影响。

4．系统的工艺流程

膜分离器性能越优异，对环境要求越低，对原料气的预处理要求相对宽松，工艺流程越简单，设备越轻，体积越小。

普里森膜的工艺流程：空压机—稳压罐—I级过滤—II级过滤—III级过滤—加热器—膜分离器—储罐

 GENERON膜和MEDAL膜的工艺流程一般如下:

空压机—冷干机—I级过滤—稳压罐—II级过滤—III级过滤—IV活性碳除油器—加热器—膜分离器—储罐

在不同的用途时，工艺复杂的负面影响是很大的。增加冷干机就增加一个事故和维护的点。如用于呼吸用途的富氧，如果增加冷干机，将压缩空气中绝大部分水除掉，以便于膜的工作，但同时也使富氧气很干燥，须加湿方可直接呼吸用。普里森富氧膜系统不用冷干机，水气和氧均为快气，因此，所制得的富氧空气不必加湿即可供呼吸用。