分離膜對氣體分離效果的測試方法

摘要：分離膜可有效實現氣體的選擇性分離，對氣體的分離系數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，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、壓差法原理檢測設備的參數及適用范圍、試驗過程等內容，為分離膜分離效果的分析測試提供參考。

關鍵詞：分離膜、分離效果、分離系數、氮氣透過量、二氧化碳透過量、氮氣透過系數、二氧化碳透過系數、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不同氣體在薄膜中滲透能力的不同實現對氣體的分離。與其他氣體分離技術相比，氣體分離膜具有常溫運行、耗能低、節能環保、無相變、操作簡便、占地面積小等優勢，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，回收有機蒸汽等領域均有廣泛應用。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具有高滲透性能及高選擇性能。分離系數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。

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

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

4、試驗設備

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

4.1 試驗原理

　　依據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。氣體壓力差是實現氣體在試樣中滲透的動力，壓力傳感器則可監測氣體的壓力變化。具體試驗過程為：裝夾的試樣將設備的測試腔分成上、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境，從而試驗氣體通過試樣從設備上腔滲透到下腔，下腔內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測低壓腔內壓力的變化情況，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 設備參數

　　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，試驗結果為3個試樣測試結果的平均值；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，保證檢測數據的準確性和通用性；支持Lystem^TM實驗室數據共享系統，統一管理試驗結果和檢測報告。

4.3 適用范圍

(1) 本設備適用于多種薄膜、片材的氣體滲透性能測試。

• 薄膜類：如各種塑料薄膜、分離膜、紙塑復合膜、共擠膜、鍍鋁膜、鋁箔、鋁箔復合膜等膜狀材料。
• 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) 在設備的三個測試腔試驗區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) 設備連接氮氣氣源，在設備的控制軟件上設置試樣名稱、厚度、試驗溫度、濕度、試驗模式等參數信息，點擊試驗選項，試驗開始。設備按照設定的參數進行試驗，并在試驗結束后顯示試驗結果。

(4) 氮氣透過測試結束后，再將設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。

6、試驗結果

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

7、結論

　　氣體的分離系數是評價分離膜分離效果的重要參數，本文分別測試了氮氣與二氧化碳氣體滲透系數，得到所測試分離膜樣品的CO₂/N₂分離系數，分離系數越高，說明分離膜對氣體的分離效果越好。本次使用的檢測設備對氣體滲透系數的測試精度高，試驗結果準確可靠，試驗效率高，且操作簡單。濟南蘭光機電技術有限公司是一家專業從事包裝檢測設備研發生產與包裝檢測服務的高(分隔符)新技術企業，新推出的C系列阻隔性檢測設備，采用自主傳感器技術，在測試精度、效率與自動化方面進行了革命性升級，實現了包裝阻隔性設備的震撼蛻變。了解相關設備信息，可登陸濟南蘭光公司網站查看具體信息或致電咨詢。愈了解，愈信任！Labthink蘭光期待與行業中的企事業單位增進技術溝通與合作。