分離膜對氣體分離效果的測試方法

摘要：分離膜可有效實現(xiàn)氣體的選擇性分離，對氣體的分離系數(shù)是衡量分離效果的重要參考指標。本文通過測試某種分離膜樣品對氮氣、二氧化碳的透過系數(shù)，評價了該樣品對氮氣、二氧化碳的分離能力，并介紹了試驗原理、壓差法原理檢測設(shè)備的參數(shù)及適用范圍、試驗過程等內(nèi)容，為分離膜分離效果的分析測試提供參考。

關(guān)鍵詞：分離膜、分離效果、分離系數(shù)、氮氣透過量、二氧化碳透過量、氮氣透過系數(shù)、二氧化碳透過系數(shù)、壓差法氣體滲透儀

1、意義

　　分離膜是一種具有選擇滲透能力的膜狀材料，其中的氣體分離膜是根據(jù)不同氣體在薄膜中滲透能力的不同實現(xiàn)對氣體的分離。與其他氣體分離技術(shù)相比，氣體分離膜具有常溫運行、耗能低、節(jié)能環(huán)保、無相變、操作簡便、占地面積小等優(yōu)勢，因此氣體分離膜在氮氣制備，氧氣富集，氫氣提純與回收，天然氣脫除硫化氫、二氧化碳等酸性氣體及水蒸氣等，回收有機蒸汽等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。影響氣體分離膜使用效果的因素包括滲透性能與選擇性等，滲透性能影響著分離膜的分離效率，選擇性則影響著分離膜對氣體的分離效果，良好的氣體分離膜應(yīng)具有高滲透性能及高選擇性能。分離系數(shù)是評價分離膜選擇性的重要參考指標，本文針對性測試了某種分離膜樣品的分離系數(shù)。

2、試驗樣品

　　本次試驗以某種氣體分離膜為試驗樣品，測試該樣品對氮氣(N₂)、二氧化碳(CO₂)兩種氣體的分離效果。

3、試驗依據(jù)

　　分離系數(shù)可以用被分離氣體滲透系數(shù)的比值表示。N₂、CO₂的氣體滲透系數(shù)可用壓差法原理進行測試，試驗過程依據(jù)GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片氣體透過性試驗方法 壓差法》。

4、試驗設(shè)備

　　本文采用VAC-VBS壓差法氣體滲透儀對樣品進行測試，該設(shè)備由濟南蘭光機電技術(shù)有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)。

4.1 試驗原理

　　依據(jù)壓差法原理研制的氣體滲透儀是通過氣體壓力差及壓力傳感器進行測試的。氣體壓力差是實現(xiàn)氣體在試樣中滲透的動力，壓力傳感器則可監(jiān)測氣體的壓力變化。具體試驗過程為：裝夾的試樣將設(shè)備的測試腔分成上、下兩個腔，上腔中充入一定壓力的試驗氣體，下腔通過抽真空形成低壓環(huán)境，從而試驗氣體通過試樣從設(shè)備上腔滲透到下腔，下腔內(nèi)的氣壓會因透過氣體量的增多而變化，通過壓力傳感器實時監(jiān)測低壓腔內(nèi)壓力的變化情況，即可得到試樣的氣體透過量，氣體透過系數(shù)為氣體透過量與試樣厚度的乘積。

圖1  VAC-VBS壓差法氣體滲透儀

4.2 設(shè)備參數(shù)

　　測試范圍為0.1 ~ 100,000 cm³/(m²·24h·0.1MPa)；可同時完成3個試樣的測試，試驗結(jié)果為3個試樣測試結(jié)果的平均值；溫度范圍為15 ~ 55℃，控溫精度為±0.1℃；提供標準膜進行快速校準，保證檢測數(shù)據(jù)的準確性和通用性；支持Lystem^TM實驗室數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，統(tǒng)一管理試驗結(jié)果和檢測報告。

4.3 適用范圍

(1) 本設(shè)備適用于多種薄膜、片材的氣體滲透性能測試。

• 薄膜類：如各種塑料薄膜、分離膜、紙塑復(fù)合膜、共擠膜、鍍鋁膜、鋁箔、鋁箔復(fù)合膜等膜狀材料。
• 片材類：各種工程塑料、橡膠、建材等片狀材料，如PP片材、PVC片材、PVDC片材。

(2) 本設(shè)備還可擴展到航空航天用材料、紙及紙板、漆膜、玻纖布、玻纖紙、化妝品軟管片材、各種橡膠片材等材料的透氣性測試。

(3) 本設(shè)備適用于多種氣體的透過率測試，如氧氣、二氧化碳、氮氣、氦氣、空氣等。

(4) 本設(shè)備滿足多項國家和標準，如ISO15105-1、ISO2556、GB/T1038、ASTM D1434、JIS K7126-1、YBB00082003。

5、試驗過程

(1) 從樣品表面裁取3片直徑為97mm的試樣，并測量試樣的厚度。

(2) 在設(shè)備的三個測試腔試驗區(qū)域的周邊均勻涂抹一層薄薄的真空油脂，并各放置一片支撐用的濾紙，將試樣分別粘貼在設(shè)備的測試腔中，輕輕按壓試樣，去除試樣與測試腔接觸部位的氣泡。合緊測試腔上蓋。

(3) 設(shè)備連接氮氣氣源，在設(shè)備的控制軟件上設(shè)置試樣名稱、厚度、試驗溫度、濕度、試驗?zāi)Ｊ降葏?shù)信息，點擊試驗選項，試驗開始。設(shè)備按照設(shè)定的參數(shù)進行試驗，并在試驗結(jié)束后顯示試驗結(jié)果。

(4) 氮氣透過測試結(jié)束后，再將設(shè)備重新連接二氧化碳氣源，測試試樣的二氧化碳氣體滲透系數(shù)。

6、試驗結(jié)果

　　試驗測得該分離膜樣品的氮氣氣體滲透系數(shù)為6.3289 × 10^-11 cm³·cm·cm^-2·s^-1•cmHg^-1，二氧化碳氣體滲透系數(shù)為1.6455×10^-9cm³·cm·cm^-2·s^-1•cmHg^-1，則該分離膜對CO₂/N₂的分離系數(shù)為26.0。

7、結(jié)論

　　氣體的分離系數(shù)是評價分離膜分離效果的重要參數(shù)，本文分別測試了氮氣與二氧化碳氣體滲透系數(shù)，得到所測試分離膜樣品的CO₂/N₂分離系數(shù)，分離系數(shù)越高，說明分離膜對氣體的分離效果越好。本次使用的檢測設(shè)備對氣體滲透系數(shù)的測試精度高，試驗結(jié)果準確可靠，試驗效率高，且操作簡單。