摘 要

陶瓷膜是用于气体分离和反应的有前景的材料。然而，它们的扩散性仍难以预测。主要困难可能是由于孔的小尺寸和复杂的微观结构以及扩散气体分子的无序和微观运动。本研究旨在通过实验和建模方法研究二元CO2 / N2混合物在陶瓷膜中扩散的潜在机制。使用三种规格的管状不对称α-Al2O3膜在各种CO2浓度和温度条件下进行实验，以评估气体传质性能。另外，提出了α-Al2O3陶瓷膜的气体扩散性的预测模型。在此模型的基础上，结合适当考虑边界约束条件，仿真结果与实验数据吻合良好。此外，模拟了膜接触器中CO2的浓度分布，分析了气体传质行为。

关键词：陶瓷膜 膜接触器 传质 过程建模

Experimental and modeling investigations towards gas transport behavior of asymmetric ceramic membrane

Abstract

Ceramic membranes are promising materials for gas separation and reaction. However, their diffusivities remain hard to predict. Primary difficulties may be due to the small size and complex microstructure of pores and the disordered and microscopic motion of diffusing gas molecules. This study aimed to investigate the underlying mechanisms of a binary CO₂/N₂ mixture diffusion in ceramic membranes through experimental and modeling approaches. The experiments were performed using three specifications of tubular asymmetric α-Al₂O₃ membrane at various CO₂ concentration and temperature conditions to evaluate the gas mass transfer performance. Additionally, a predictive model was proposed for the gas diffusivity of the α-Al₂O₃ ceramic membranes. Based on the proposed model, combined with properly accounting for boundary constrained conditions, the simulation results were in good agreement with the experimental data. Furthermore, the concentration distributions of CO₂ in the membrane contactor were simulated to analyze the gas mass transfer behaviors.

Keywords: Ceramic membrane；Membrane contactor； Mass transfer；process Modeling

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 膜吸收的机理及应用 1

1.2 吸收膜的分类 1

1.3 CO₂分离膜材料种类 2

1.3.1无机膜 2

1.3.2有机聚合物膜 3

1.3.3混合基质膜 3

1.4 膜吸收过程的传质机理 3

1.4.1多孔膜的传质模型 4

1.5陶瓷膜概述 4

1.5.1陶瓷膜微观结构 4

1.5.2曲折因子 5

1.5.3陶瓷膜气体气体传质性能影响因素 6

1.6课题主要研究内容 6

第二章 实验部分 8

2.1实验器材 8

2.2实验装置和程序 9

2.3 实验原理 10

2.3.2二维（2D）模型方法 11

第三章 结果与分析 14

3.1 CO₂浓度分布 14

3.2 2D过程建模的验证 15

第四章 结论与展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第一章 绪论

1.1 膜吸收概述

膜技术是一种高效分离技术，以其节约能源和环境友好的优势成为解决全世界范围内能源、环境、水资源等全球环保问题的共性支撑技术之一^[1[1]。早在上个世纪八十年代乃至更早期，人们就发现膜在分离重要气体混合物方面的潜力，但目前制造高性能膜材料以及膜组件的技术还比较落后，存在诸多缺陷，成本较高。多孔陶瓷膜，以其优异的材料稳定性，在石油和化学工业、医药、冶金等过程工业众多领域获得了广泛的应用，已成为膜领域发展最迅速、最具应用前景的膜材料之一^[[2]。

膜吸收是将膜基气体分离与传统的物理吸附、化学吸收、低温精馏、深冷结合起来的新型分离技术；其传质包括吸收、解吸以及在膜孔内的络合化和溶解层的形成等渗透分子在两相或多相间的分配过程^[3]。膜吸收技术作为集成技术的代表被人们逐渐重视起来并将其逐步应用至化工领域。

1.2 吸收膜的分类

吸收膜根据其结构、分离原理可分为多孔膜、无孔膜、复合膜和非对称膜四种。多孔膜在膜的吸收过程中应用广泛，分为亲水或疏水性两类多孔膜。无孔膜也称致密膜,利用组分间溶解度或扩散系数的差异来进行分离。复合膜是由多孔膜和均质超薄膜复合而成，非对称膜是由相转变法制备而来的，复合膜和非对称性复合膜将多孔膜的高通透性和致密膜的高选择性有机地结合起来,通过改善孔的物化结构以及孔的分布,极大地改善了膜的吸收性能^[4]。

1.3 CO₂分离膜材料种类

膜材料是膜分离技术的核心。其应用前景主要受制于膜的好坏， Robeson上限则决定了膜材料的选择性和渗透系数，即渗透系数下降会导致选择性的上升。膜气体分离行业现已有35年历史。在现有的应用中，来自空气的氮气，来自轻质烃的氢气，以及来自氮气和甲烷的碳氢化合物，使用的膜材料在十年内没有显着变化。并且几乎没有商业推动力来开发用于已建立的膜分离的更好的材料。目前，只有八到九种聚合物材料被用于制造至少90%的总安装基础气体分离膜。在过去的几年中，已有数百种新的聚合物材料被报道，其中许多材料的渗透性和选择性十分优异。但实际用于制造工业膜的数量如此之少。然而，渗透性和选择性只是生产有用膜所必须满足的两个标准；其他标准包括形成稳定、薄、低成本的膜的能力，这些膜可以封装到高表面积模块中。为了获得高渗透率，气体分离膜的选择层必须非常薄。上述性能都取决于膜材料的化学性质、组成和结构。我们由制备材料的不同，将分离膜划分为三类：无机膜、有机聚合物膜和混合基质膜。

1.3.1无机膜

无机膜一般用金属、金属氧化物、陶瓷、多孔玻璃、沸石等材料制成, 可以在高温高压条件下工作，具有许多优良的物理和化学特性，如机械强度大、热稳定性好、化学性质稳定、容易再生、使用寿命长且能耐各种酸碱性介质的腐烛等^[4]。基于无机膜的未来前景及其优越性，我们选择了陶瓷膜为研究对象^[3]。

人们对无机膜在液体分离方面的应用研究可以追溯到上个世纪70年代，并获得了丰富的实验成果。陶瓷分离膜是一种过滤分离介质，其内部载体是多孔陶瓷，分离膜为微孔陶瓷，由三者共同组成陶瓷介质；陶瓷膜是由氧化错、氧化铝、氧化钦及氧化硅等金属氧化物材料制成，其本身具有不对称分布的多孔结构，而且它的膜孔径涵盖微滤、超滤以及纳滤的范围^[5]。陶瓷膜与有机膜和其他无机膜相比，具有以下显著的优点：

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