氣體分離膜分離能力的測試方法介紹

摘要：對不同氣體的分離能力是材料能否作為氣體分離膜的基本評價指標。本文利用G2/110膜分離測試分析儀檢測了分離膜樣品對氮氣、甲烷的分離能力，并通過對試驗原理、設備參數(shù)及適用范圍、試驗過程等內(nèi)容的介紹，為分離膜的研發(fā)及檢測方法提供參考。

關鍵詞：分離能力、氣體滲透系數(shù)、氣體分離膜、膜分離測試分析儀、壓差法、色譜分析

1、意義

基于薄膜材料對不同氣體具有選擇滲透性的特點，氣體分離膜能夠?qū)崿F(xiàn)對不同氣體的分離。與傳統(tǒng)的氣體分離方法相比，氣體分離膜在分離效率、降低能耗及環(huán)境友好性等方面均有明顯優(yōu)勢，在氣體富集、汽車尾氣與工業(yè)廢氣處理等方面均有廣闊的應用前景。

氣體分離能力是決定薄膜能否作為氣體分離膜的基本要素，這種能力與不同氣體在薄膜中的滲透性快慢有關。受氣體分子尺寸、薄膜結(jié)構(gòu)、薄膜分子與氣體分子間相互作用等因素的影響，不同氣體在薄膜材料中滲透性能并不相同，薄膜中不同氣體的滲透系數(shù)相差越大，對氣體的分離能力越好。根據(jù)所分離混合氣體的性質(zhì)差異，對分離膜進行結(jié)構(gòu)改性，是進一步擴大不同氣體的滲透性差異并提高分離膜分離能力的常見方法。本文通過對分離膜分離能力的測試，介紹了一種驗證氣體分離膜分離效果的試驗方法。

2、試驗樣品

對氮氣、甲烷具有分離能力的某種氣體分離膜材料。

3、試驗依據(jù)

目前尚未發(fā)布有關分離膜分離能力的測試方法標準，相關的研究方法通常為測試不同氣體在分離膜中滲透系數(shù)的比值，本文通過測試一定比例的氮氣、甲烷混合氣體在樣品分離膜中的滲透性能以研究其分離能力。

4、試驗設備

本次試驗采用G2/110膜分離測試分析儀進行測試，該設備由濟南蘭光機電技術有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)。

圖1  G2/110膜分離測試分析儀

4.1 試驗原理

試驗過程可分為混合氣體滲透過程與不同氣體滲透量的測試過程兩部分。滲透過程采用壓差法原理設計，即設備的測試腔被裝夾的試樣分為上、下兩個腔，上腔中充填的是待測試的混合氣體，下腔中通過抽真空形成低壓環(huán)境，上腔內(nèi)氣體通過試樣滲透到低壓腔；氣體滲透量測試過程采用氣相色譜儀對滲透氣體進行定量測試，即滲透到低壓腔中的氣體通過載氣攜帶至氣相色譜儀處進行測試。通過該方法可以得到試樣對試驗氣體各組分的滲透量、選擇性以及滲透速率等定量結(jié)果。

4.2 設備參數(shù)

測試范圍為10^-14 ~ 10^-5 cm³·試樣厚度/(cm²·s·cmHg)；檢測靈敏度不小于 3000mV·mL/mg (苯、氫氣)；測試面積為3.14 cm²；測試腔控溫范圍15 ~ 55℃，樣品管路控溫范圍室溫+5℃ ~ 100℃，控溫精度均為±0.1℃；可測試氣體包括空氣、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄等的單一或混合氣體；載氣為氦氣。

4.3 適用范圍

氣體分離膜等材料在指定條件下對單一或多元混合氣體各組分的滲透總量的定性定量檢測，對多元混合試驗氣體各組分的分離比例的定性定量檢測，對單一或多元混合試驗氣體各組分的滲透速率的定性定量檢測。

5、試驗過程

5.1 裁樣

從待測試的分離膜樣品表面裁取試樣1片，并測試其厚度。

5.2 裝樣

在設備測試腔的周邊涂抹一層均勻的真空油脂，在測試區(qū)域放置一片濾紙，將試樣粘貼在測試腔上，并輕輕按壓，除去試樣與測試腔間的氣泡，用夾緊裝置將試樣夾緊。

5.3 設置參數(shù)

在設備的控制軟件上設置試樣名稱、試樣厚度、抽真空時間、滲透時間等參數(shù)信息。

5.4 滲透過程

接通所測試混合氣體的氣源，點擊試驗選項，打開真空泵，開始試驗。設備自動按照設定的參數(shù)進行氣體滲透。

5.5 定量測試

打開氣相色譜儀電源，滲透過程結(jié)束后，下腔內(nèi)氣體被載氣攜帶至氣相色譜中進行定量測試。試驗結(jié)束后，設備顯示分離率、滲透系數(shù)等結(jié)果值。

6、試驗結(jié)果

本次試驗所測試甲烷與氮氣的混合氣體中，甲烷在樣品中的氣體滲透系數(shù)為7.74 × 10^-11 cm³·cm/(cm²·s·cmHg)，分離率為13.14%；氮氣的滲透系數(shù)為4.41 × 10^-10cm³·cm/(cm²·s·cmHg)，分離率為74.86%。

7、結(jié)論

氣體分離能力是氣體分離膜的基本性能，是制約分離膜應用的重要因素之一，也是分離膜研究的重點內(nèi)容。本文采用壓差法與色譜分析方法相結(jié)合的原理技術，測試了分離膜樣品對甲烷、氮氣混合氣體的分離能力，試驗操作簡單，設備的智能化程度高，測試結(jié)果準確可靠。濟南蘭光機電技術有限公司是一家專業(yè)從事包裝檢測設備研發(fā)生產(chǎn)與包裝檢測服務的高新技術企業(yè)，現(xiàn)有設備可測試軟塑包裝材料的氧氣、氮氣、二氧化碳、空氣、氦氣、六氟化硫等氣體的透過量、水蒸氣透過率、拉斷力、斷裂標稱應變、拉伸強度、穿刺力、撕裂強度、摩擦系數(shù)、熱封強度、剝離強度、密封性能、溶劑殘留、總遷移量等多項性能指標。愈了解，愈信任！Labthink蘭光期待與行業(yè)中的企事業(yè)單位增進技術溝通與合作。