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《Carbon 》

《 新 型 炭 材 料

《 碳 术 语 辞 典 》
《 纳 米 碳 管 》
 
炭分离膜
(Carbon separation membrane)

  炭分离膜作为一种特殊的炭分子筛,是一种新型的由炭素材料构成的具有分离功能的无机膜。最初的炭膜是Ash R等人于1973年以石墨化炭黑为原料经压制而成的平板膜。与传统的有机膜相比较,炭膜具有耐高温,高稳定性,高选择性,高渗透性,高分离能力,机械强度好以及清洁状态好等优点。

  炭膜的形状分为纤维式、管式和平板式三种。炭膜的结构由支撑体和分离层两部分组成。支撑体主要起支撑作用,要求有较好的渗透性和较高的机械强度。分离作用主要发生在分离层,根据不同的分离作用,其孔径在零点几个纳米至几十纳米之间,厚度为微米数量级。炭膜微观结构由结晶炭和无定形炭构成,主要由碳原子形成,其表面为非极性,具有疏水性。炭膜用于分离不同的物质时,其透过分离机理也不同。分离液相的机理主要有微孔过滤和超过滤两种,气体透过的机理有努森扩散、毛细冷凝、表面扩散和分子筛分四种。

  
  原料性能是决定炭膜制备工艺及最终产品性能的先决条件。原料必须具有或经适当预处理后具有良好的不熔融性能,且具有较高的残炭率。因此制备炭膜的原料包括椰子壳、果核、木材、各种煤、石油残渣、石油沥青等天然的含碳植物或矿物燃料以及有机高分子等。制备工艺过程分为支撑体和炭膜制备两个步骤。一般常用炭化法制备支撑体,用涂覆法、活化法、炭沉积(化学气相和液相沉积法)等一种或几种方法联合使用对支撑体进行调整来制备炭膜。涂覆法是在炭化物中添加沥青或树脂后进行热处理,然后由热解炭涂层微孔,使孔径缩小。此方法可以有效降低微过滤炭膜的平均孔径,改善其孔径大小;活化法可以提高炭膜的渗透性能,打开其封闭孔,扩大其中的微孔;炭沉积法是将含苯的烃类气体通过分解析出热解炭,使其沉积在大孔上,来缩小孔径,起堵孔作用,也可以先采用液相浸渍后,再进行热解炭沉积。

  炭膜可应用于气体分离、液体分离以及膜反应器等。气体分离炭膜的应用前景广阔,但目前还处于实验室水平,距离工业化还有一定的距离。炭膜用于分离空气时,不发生相变化、工艺简单、分离系数和能力大。例如可用于氧、氮的分离与富集;第三次采油的二氧化碳的浓缩、沼气中二氧化碳的分离以及二氧化碳气田气的提纯;分离与富集二氧化碳;有机蒸汽易液化,利用炭膜的毛细管冷凝机理,可以使空气中有机蒸汽的脱除,达到较好的脱除效果;炼油厂排放的尾气中含有大量氢气,使用炭膜可以回收利用氢气。

  液相分离炭膜可运用于环保的水处理等,美国的微滤炭膜已达到商业化的水平。膜反应器是由反应器和分离膜组合而成,使反应和分离同时进行,产物中较小的分子通过分离膜被及时移走,从而促进反应平衡移动,增加产率。例如水煤气变化反应,为了得到较多的氢,使用炭膜分离氢气,在努森扩散区就可达到较好的效果。

  虽然炭膜具有许多优点,在分离领域中有着广阔的发展前景,但也存在一些缺点,如,碳原子具有亲水的特性,当炭膜用于分离含有水蒸气的气体时就会使炭膜的选择性和渗透量大大降低。此外炭膜的质地较脆,成本较高。

  总之,现代科学与技术的迅猛发展,人们要求材料具有高性能化和多功能化等特点。为了使炭膜的性能满足不断发展变化的要求,还需进一步的探索与研究,开辟新方法。炭膜仍将是今后材料领域中研究的热点之一。

邱海鹏、刘 朗 供稿

From 新型炭材料 2003 Vol.18 No.1 P.80