气体分离膜分离能力的测试方法介绍

摘要：对不同气体的分离能力是材料能否作为气体分离膜的基本评价指标。本文利用G2/110膜分离测试分析仪检测了分离膜样品对氮气、甲烷的分离能力，并通过对试验原理、设备参数及适用范围、试验过程等内容的介绍，为分离膜的研发及检测方法提供参考。

关键词：分离能力、气体渗透系数、气体分离膜、膜分离测试分析仪、压差法、色谱分析

1、意义

基于薄膜材料对不同气体具有选择渗透性的特点，气体分离膜能够实现对不同气体的分离。与传统的气体分离方法相比，气体分离膜在分离效率、降低能耗及环境友好性等方面均有明显优势，在气体富集、汽车尾气与工业废气处理等方面均有广阔的应用前景。

气体分离能力是决定薄膜能否作为气体分离膜的基本要素，这种能力与不同气体在薄膜中的渗透性快慢有关。受气体分子尺寸、薄膜结构、薄膜分子与气体分子间相互作用等因素的影响，不同气体在薄膜材料中渗透性能并不相同，薄膜中不同气体的渗透系数相差越大，对气体的分离能力越好。根据所分离混合气体的性质差异，对分离膜进行结构改性，是进一步扩大不同气体的渗透性差异并提高分离膜分离能力的常见方法。本文通过对分离膜分离能力的测试，介绍了一种验证气体分离膜分离效果的试验方法。

2、试验样品

对氮气、甲烷具有分离能力的某种气体分离膜材料。

3、试验依据

目前尚未发布有关分离膜分离能力的测试方法标准，相关的研究方法通常为测试不同气体在分离膜中渗透系数的比值，本文通过测试一定比例的氮气、甲烷混合气体在样品分离膜中的渗透性能以研究其分离能力。

4、试验设备

本次试验采用G2/110膜分离测试分析仪进行测试，该设备由济南兰光机电技术有限公司自主研发生产。

图1  G2/110膜分离测试分析仪

4.1 试验原理

试验过程可分为混合气体渗透过程与不同气体渗透量的测试过程两部分。渗透过程采用压差法原理设计，即设备的测试腔被装夹的试样分为上、下两个腔，上腔中充填的是待测试的混合气体，下腔中通过抽真空形成低压环境，上腔内气体通过试样渗透到低压腔；气体渗透量测试过程采用气相色谱仪对渗透气体进行定量测试，即渗透到低压腔中的气体通过载气携带至气相色谱仪处进行测试。通过该方法可以得到试样对试验气体各组分的渗透量、选择性以及渗透速率等定量结果。

4.2 设备参数

测试范围为10^-14 ~ 10^-5 cm³·试样厚度/(cm²·s·cmHg)；检测灵敏度不小于 3000mV·mL/mg (苯、氢气)；测试面积为3.14 cm²；测试腔控温范围15 ~ 55℃，样品管路控温范围室温+5℃ ~ 100℃，控温精度均为±0.1℃；可测试气体包括空气、O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄等的单一或混合气体；载气为氦气。

4.3 适用范围

气体分离膜等材料在指定条件下对单一或多元混合气体各组分的渗透总量的定性定量检测，对多元混合试验气体各组分的分离比例的定性定量检测，对单一或多元混合试验气体各组分的渗透速率的定性定量检测。

5、试验过程

5.1 裁样

从待测试的分离膜样品表面裁取试样1片，并测试其厚度。

5.2 装样

在设备测试腔的周边涂抹一层均匀的真空油脂，在测试区域放置一片滤纸，将试样粘贴在测试腔上，并轻轻按压，除去试样与测试腔间的气泡，用夹紧装置将试样夹紧。

5.3 设置参数

在设备的控制软件上设置试样名称、试样厚度、抽真空时间、渗透时间等参数信息。

5.4 渗透过程

接通所测试混合气体的气源，点击试验选项，打开真空泵，开始试验。设备自动按照设定的参数进行气体渗透。

5.5 定量测试

打开气相色谱仪电源，渗透过程结束后，下腔内气体被载气携带至气相色谱中进行定量测试。试验结束后，设备显示分离率、渗透系数等结果值。

6、试验结果

本次试验所测试甲烷与氮气的混合气体中，甲烷在样品中的气体渗透系数为7.74 × 10^-11 cm³·cm/(cm²·s·cmHg)，分离率为13.14%；氮气的渗透系数为4.41 × 10^-10cm³·cm/(cm²·s·cmHg)，分离率为74.86%。

7、结论

气体分离能力是气体分离膜的基本性能，是制约分离膜应用的重要因素之一，也是分离膜研究的重点内容。本文采用压差法与色谱分析方法相结合的原理技术，测试了分离膜样品对甲烷、氮气混合气体的分离能力，试验操作简单，设备的智能化程度高，测试结果准确可靠。济南兰光机电技术有限公司是一家专业从事包装检测设备研发生产与包装检测服务的高新技术企业，现有设备可测试软塑包装材料的氧气、氮气、二氧化碳、空气、氦气、六氟化硫等气体的透过量、水蒸气透过率、拉断力、断裂标称应变、拉伸强度、穿刺力、撕裂强度、摩擦系数、热封强度、剥离强度、密封性能、溶剂残留、总迁移量等多项性能指标。愈了解，愈信任！Labthink兰光期待与行业中的企事业单位增进技术沟通与合作。