《膜技术手册》

2025-09-08

第1章导言

膜科学研究的基本流程
1.材料

MOFs，COFs
2.制膜
3.表征
4.应用

膜一般很薄，厚度从几纳米、几微米至几百微米之间，而长度和宽度要以米来计量。

渗透：水（溶剂）过去。
透析：小分子溶质过去。
渗析：旧词，常混用，现在多被“透析/渗透”取代。

第2章有机高分子膜

基本操作：配制 → 铸膜 → 成膜 → 后处理

第3章无机膜

第4章有机-无机复合膜

第5章膜分离中的传递过程

第6章膜过程的极化现象和膜污染

第7章膜器件

第8章反渗透、正渗透和纳滤

第9章超滤和微滤

第10章渗析

第11章离子交换膜过程

第12章气体膜分离过程

渗透系数（Permeability）→ Barrer
表示材料本身的气体传输能力，是膜材料的固有性质，包含“扩散 + 溶解”两部分贡献：
渗透率（Permeance）→ GPU
表示实际膜器件的气体通量能力，会受到膜厚影响：

气体膜分离原理（多孔膜）

多孔膜是利用不同气体通过膜孔的速率差进行分离的，其分离性能与气体的种类、膜孔径等有关。其传递机理可分为分子流（即 Knudsen 扩散）、黏性流、表面扩散流、分子筛筛分、毛细管凝聚等。
气体在多孔膜中的传递主要为 Knudsen 扩散流和黏性流
气体透过膜的渗透性是分子流和黏性流共同作用的结果

粘性流

如果膜孔径 r 与分子平均自由程比值 r/λ ≫ 1，孔内分子流动受分子之间碰撞作用支配，为黏性流。

$$ \begin{aligned} q &= \frac{r^2 \varepsilon (p_1+p_2)(p_1-p_2)} {8\eta LRT} \\[6pt] q &= J(p_1-p_2) \\[6pt] J &= \frac{r^2 \varepsilon (p_1+p_2)} {8\eta LRT} = \frac{r^2\varepsilon}{4\eta LRT} \times \frac{p_1+p_2}{2} \end{aligned} $$

可见，q 取决于被分离气体黏度比。
渗透速率 J 与膜两侧压力的平均值 (p₁ + p₂)/2 成正比。

分子流（努森扩散）

如果孔径很小或气体压力很低时，r/λ ≪ 1，孔内分子流动受分子与孔壁之间碰撞作用支配，气体通过膜孔流量与其分子量 M 成反比，称分子流或 Knudsen 扩散。

根据 Kundsen 理论
气体透过单位面积流量 q 为

$$ \begin{aligned} q &= \frac{4}{3} r\varepsilon \left(\frac{2RT}{\pi M}\right)^{\frac{1}{2}} \frac{p_1-p_2}{LRT} \\[6pt] &= J(p_1-p_2) \\[6pt] J &= \frac{4}{3} r\varepsilon \left(\frac{2RT}{\pi M}\right)^{\frac{1}{2}} \frac{1}{LRT} \end{aligned} $$

可以看出，q 与分子量平方根成反比，因此不同气体分离效果与它们分子量比值的平方根成反比。
渗透速率 J 与压力差无关。

表面扩散流

毛细管凝聚机理

分子筛分机理

对 MOF 膜大缺陷导致黏性流时，GPU 往往随平均压力增大；Knudsen 分子流主导时，GPU 理论上与压力无关。实际通量在两种情况下都受压差驱动，只是 GPU 对压力的依赖不同。若 GPU 随平均压力显著升高，则说明传输偏离纯 Knudsen 模型，可能存在黏性流等压力依赖贡献，但不能仅据此直接认定存在大缺陷。