VOCs源頭回收治理技術之二：氣體分離膜
1、什么是膜
“膜”是具有隔絕作用的薄層狀物質的統稱，其厚度可以從數微米到數毫米。我們講的“膜”（membrane）專指具有選擇性分離功能的材料，也稱分離膜（separation membrane）。它可使流體內的一種或幾種物質透過，而其它物質不能透過，從而起到分離、純化和濃縮的作用，國際上也將膜定義為“一種三維結構，三維中的一度尺寸要比其余兩度小得多，并可通過多種推動力進行質量傳遞”。
膜有兩個突出的特征：1、膜是兩相之間的界面，分別與兩側的流體相接觸。2、膜具有選擇透過性。膜分離（separation membrane）是以外界能量或化學勢差作為推動力，利用分離膜的選擇性透過功能實現對混合物中不同物質進行分離、純化和濃縮的過程。
通常，膜分離過程具有常溫下操作，無相變化、設備體積小、生產過程中不產生污染等特點。
氣體分離膜開停車是其它分離所無法比擬的，從理論上說氣體分離可以實現瞬間開停車。因此，與傳統氣體分離（如深冷、吸附分離等）相比，優勢明顯。
2、膜的組成
膜通常由三層結構組成，即基層、支撐層和致密層。非對稱膜由致密且薄的皮層和多孔支撐層構成，前者主要起分離作用。
圖一 膜的三層結構
基層通常采用無紡布材料，支撐層和致密層的材料有多種類型。聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride，簡稱PVDF），聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，簡稱PDMS）是比較常見的二種，還有聚酰亞胺（polyimide，簡稱PI）和其它聚合物制膜材料。硅橡膠對醇類、酚類、酮類、酯類等有機物具有良好的吸附選擇性，對鹵代烴、芳香烴、砒咯等也有較好的選擇性。因此，它是氣體分離膜常用的材料。
3、膜的基本傳質機理
膜的基本傳質機理有兩種：篩分和溶解擴散?！昂Y分”常見于微濾和過濾，膜的選擇性主要可以取決于膜孔徑與顆粒物大小?！叭芙鈹U散”則將膜的表面皮層看作是一種致密無孔的中性界面，被分離的物質以溶解的方式進入膜體，它們在膜表面的溶解速率不同，在膜體內的擴散速率也不同，從膜體解吸的速率也有差異。溶解速率高，擴散速率快的物質透過致密膜，在膜的另一側富集。而溶解速率低，擴散速率滿的物質，則大多不能透過致密膜。利用兩種物質溶解擴散速率的差，實現了它們的相對分離。氣體分離膜，滲透汽化膜和反滲透膜的物質機理主要是“溶解擴散”。
由于大多數膜是由有機聚合物材料制成，根據相似相溶性原理，有機氣體更易溶解在膜內，也就是說有機氣體溶解性強。
膜對有機氣體的整個選擇性除了溶解選擇性外，流動選擇性是決定膜選擇性的另一個主要因素。流動選擇性是指氣體在膜內的擴散速率不同而帶來的分離效果。
4、氣體在橡膠態聚合物膜內的滲透
經過以下3個步驟，由膜的高分壓側透過膜到達低分壓側：①氣體吸附溶解在膜的高分壓側；②在濃度差的作用下，溶解在高分壓側膜表面的氣體向低分壓側表面擴散；③到達低分壓側膜表面的氣體從膜體中解吸。
圖二 氣體在膜中的滲透
氣體透過膜的流量計算公式如下：
圖三 電鏡下氣體分離膜的三層結構（照片由南京碳環生物質能源有限公司提供）
圖四 電鏡下氣體分離膜支撐層的微孔結構（照片由南京碳環生物質能源有限公司提供）
5、二氯甲烷等有機廢氣的源頭回收
在制藥化工、石油煉化、油墨染料、無紡布、鋰電池膜等許多工業過程中，都有大量的有機廢氣被排放，廢氣中大多數揮發性有機物（volatile organic compounds，簡稱VOCs）具有毒性，且多為溫室氣體，是碳中和和污染性治理的關注點。VOCs的處理方法有兩類：破壞性消除法和回收法。圖五是VOCs（二氯甲烷）源頭回收的功能示意圖。
經壓縮后的二氯甲烷有機廢氣進入冷凝器，氣體中的一部分二氯甲烷被冷凝下來，回收后的二氯甲烷溶液可以再次使用。而未冷凝的二氯甲烷氣體進入氣體分離膜組件，在壓力差的推動下，二氯甲烷透過膜，透余氣為脫除二氯甲烷后的氣體，通常為空氣。透過氣中富含二氯甲烷有機氣體，該氣體循環至壓縮機的進口進行復疊處理。由于二氯甲烷在循環回路中的濃度逐步上升，壓縮后進入冷凝器的二氯甲烷達到凝結濃度，二氯甲烷又被冷凝下來，成為可以被利用的液態二氯甲烷溶劑。
圖五 VOCs（二氯甲烷）源頭回收的功能示意圖
圖六 VOCs的源頭回收裝置（照片由南京碳環生物質能源有限公司提供）
注：本文章摘錄自《膜分離材料應用基礎》 作者 肖長發 劉振等 化學工業出版社 2019年1月