每組混合氣體在壓力下通過薄膜以不同的速度傳遞，達到分離目的。在不同結(jié)構(gòu)的膜中，氣體通過膜傳遞的擴散方法不同，分離機制也不同。目前常見的氣體通過膜的分離機制有兩種：氣體通過多孔膜的微孔擴散機制。第二，氣體是通過非多孔膜的溶解-擴散機制。
多孔介質(zhì)中的氣體傳遞機制包括分子擴散、粘性流動、努森擴散、表面擴散等。由于多孔介質(zhì)的孔徑和內(nèi)孔表面特性的差異，氣體分子與多孔介質(zhì)的相互作用程度不同，傳遞特性也不同。
膜分離過程中不會發(fā)生相變，分離系數(shù)大，工作溫度能在常溫下工作，因此膜分離過程具有節(jié)能、高效等特點，是對現(xiàn)有化學分離方法的一大革命。膜分離氣體是分離科學發(fā)展最快的分支之一，在氣體分離領域前途無量。
氣體膜分離技術的核心是膜，膜的特性主要取決于膜材料及成膜過程。氣體分離膜的組成材料可以分為高分子材料。無機材料；有機、無機集成材料。氣體膜分離技術發(fā)展到今天，膜組件及裝置的研究越來越完善，但膜開發(fā)仍具有相當?shù)臐摿Α?/div>
聚合物薄膜材料
主要包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚砜(PSF)、醋酸纖維素(CA)、乙基纖維素(EA)和聚碳酸酯(PC)。研究結(jié)果表明，大部分聚合物具有滲透性和選擇性相反的關系，即滲透性高，選擇性低，反之，選擇性高，滲透性差。因此，對于聚合物材料來說，突破選擇性和滲透性之間的上限關系成為研究的熱點?？朔叻肿硬牧系哪透邷匦院突瘜W腐蝕的弱點也花了近幾年的時間聚酰亞胺(PI)
具有透氣性選擇性、機械強度、耐化學性介質(zhì)和高吞吐量的自支撐型不對稱中空纖維等特點。日本宇部興產(chǎn)業(yè)鏈該公司的產(chǎn)品目前用于天然氣中CO2處理、H2回收、NH3、H2S、SO2、H2O、有機蒸汽等工序。
硅膜材料
耐熱、不連續(xù)性、電弧電阻、松散結(jié)構(gòu)、無機物、半有機結(jié)構(gòu)的聚合物與其他合成高分子材料相比具有多種非常獨特的特性。實用化或優(yōu)秀的氣體分離膜現(xiàn)在被大量開發(fā)。這也是膜材料研發(fā)的熱點。
無機膜材料
無機膜材料開發(fā)始于20世紀40年代，80年代中期取得了突破。由于無機材料的獨特物理和化學特性，具有聚合物不能很好地工作的高溫和腐蝕性分離方面的專業(yè)知識。無機膜包括陶瓷膜、微孔玻璃、金屬膜和碳分子篩膜。無機膜的材料組成一般為Al2O3、TiO2、SiO2、c、SiC等。但是無機膜目前在氣體分離過程中處于實驗室水平。
集成膠片材料
用于氣體分離的聚合物薄膜具有選擇性高、耐高溫、腐蝕的缺點。無機陶瓷膜在高溫和腐蝕性分離過程中具有獨特的物理和化學特性，但選擇性較差。兩者結(jié)合收藏，可以在高溫腐蝕環(huán)境下分離氣體。這種聚合物/陶瓷復合膜的結(jié)構(gòu)是以高溫高分子材料為分離層，陶瓷膜為支撐層，優(yōu)化了聚合物的良好分離性能和陶瓷膜的良好熱、化學、機械穩(wěn)定性。
工業(yè)應用
氫的分離和回收：
這是目前應用面最廣、設備銷售最多的領域之一，已經(jīng)廣泛應用于氨產(chǎn)業(yè)、煉油產(chǎn)業(yè)、石油化工領域。
1、氨排放H2分離回收。以1000t/d的合成氨廠為例，每天可以多生產(chǎn)50多t氨。
2、煉油工業(yè)尾氣H2的分離回收。公司采用膜、低溫和變壓吸附法回收煉廠氣的H2，經(jīng)濟比較結(jié)果表明，膜投資成本僅為其他兩種方法的50%~70%。
3、石化工業(yè)合成氣調(diào)節(jié)。廣泛用于石油化學和冶金的合成氣是H2和CO的混合物，合成產(chǎn)物是化學原料，例如甲醇、乙酸、乙二醇、乙醇。膜法可以有效地調(diào)整合成塔中H2/CO的比例，獲得所需的化學原料。
氫的分離和回收：
膜分離技術在空氣分離三大技術(低溫方法、變壓吸附方法、膜方法)中具有最大的發(fā)展?jié)摿Α?、氮豐富。高濃度氮可以廣泛用于油田第三次生產(chǎn)、食品保存、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、惰性氣氛保護等。在相同生產(chǎn)率下，95%富含氮的制造方法、膜和PSA方法成本大體相同，但前者設備投資成本比后者低25%。超純水氮的制備，膜方法不如其他分離技術(如PSA方法)。
2、富含氧氣。主要用于26 ~ 30%的富氧濃度和40%的富氧濃度的高溫燃燒節(jié)能和健康管理目的。與低溫及變壓吸附相比，具有簡單的設備、方便操作、安全操作、快速啟動等特點。如果氧氣質(zhì)量分數(shù)約為30%，大小小于15000m3/h，膜投資、維護和運行成本的總和僅為低溫和變壓吸附法的2/3~3/4，能量消耗比它們低30%以上，規(guī)模越小越經(jīng)濟。
膜富氧裝置最初用于制氧機的改造，可以提高氧氣產(chǎn)能25%~50%，提高氧氣濃度，將綜合投資減少2%~3%。
酸性氣體的分離和回收：
酸性氣體主要是指天然氣中包含的CO2，H2S等成分。這種成分不僅對產(chǎn)品質(zhì)量有影響，還會融化在天然氣加工過程中產(chǎn)生的凝結(jié)水，形成酸，嚴重腐蝕設備和線路。比較好的方法是利用固體脫硫、膜脫co2、脫水集成工藝充分發(fā)揮各技術的優(yōu)點。
另一方面，膜技術在CO2回收方面也起著重要作用。油田高壓注入CO2第三生產(chǎn)工藝的原油從油井出來后，80%的CO2包含在相關廢物中，分離回收后，必須濃縮到95%以上，重新注入油井再利用。煙筒CO2濃縮等。
氣體除濕：
空氣的除濕。在空氣除濕方面，日本的優(yōu)步公司和美國的孟山都孟山都孟山都公司分別開發(fā)了膜空氣干燥器。工業(yè)氣體脫濕。美國、日本、加拿大等在20世紀80年代開發(fā)了這項技術，目前正在實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應用。我國在90年代開始開發(fā)，在天然氣膜凈化領域已經(jīng)取得了成功。
有機蒸汽分離和回收：
石油化工行業(yè)在生產(chǎn)中產(chǎn)生大量有機蒸汽，直接排放會造成環(huán)境污染，危害人體健康，必須回收利用。傳統(tǒng)的冷凝法和木炭吸附法能耗高，容易造成二次污染。膜技術易于操作，效率高，具有節(jié)能的優(yōu)點。
合并過程：
近年來在膜分離技術開發(fā)中出現(xiàn)的新技術代表了未來氣體膜分離技術的發(fā)展方向，通過使用膜分離技術與其他技術集成，各所長可以獲得最佳分離效果，最佳經(jīng)濟效益。
目前在氣體分離過程中已經(jīng)出現(xiàn)的集成過程主要是：
1、薄膜和PSA結(jié)合；2、膜和低溫系統(tǒng)結(jié)合；
3、膜和催化裝置結(jié)合；
4、膜和吸收裝置。
在氣體膜分離技術產(chǎn)業(yè)化中，氣體膜分離技術的最終實現(xiàn)，氣體膜分離工作的便利性，簡單的裝置，高效率。被認為是最有前途的高科技。
