一种高效透液阻气的流体复合膜系统的制作方法

本发明涉及微孔膜分离技术领域，尤其涉及一种高效透液阻气的流体复合膜系统。

背景技术：

膜科学在解决当代人类所面临的能源、水资源、环境、生物医药、船舶潜艇、航空航天等领域问题中具有非常重要的意义，膜材料也在人们生活中发挥着重要的作用，例如：日常生活中的污水处理、空气净化；化工生产中的多相分离；分析检测中的离子监测等。社会的高速发展对其材料功能化应用与材料耐用性能的需求急剧增加，也对膜材料的各项性能提出了更高的要求。

目前，常用气液分离技术的分离机理主要有重力沉降式、过滤分离式、惯性碰撞式、离心分离式及扩散等，依据这些机理研制出许多实用的气液分离器，然而大多设备庞大复杂，能耗很高，采用微孔膜进行气液分离可减小系统复杂度，降低寄生能耗。众所周知，气体分子很小，因此比液体容易过膜，常用膜分离方法大部分难以实现使液体通过而阻挡气体的功能(即透液阻气)。已有用亲水膜实现被动排水阻气的功能，然而在工业方面，过滤膜最大问题之一就是污染问题，过滤膜孔道的阻塞不但会造成过滤效率下降，而且会对所过滤的物质产生二次污染，造成分离效率下降，影响气液分离效果，同时增加了分离成本。

流体复合膜系统通过门控流体与微孔膜复合使得物质的输运能够在液面上进行，克服了传统微孔膜分离时液固接触而导致膜污染的不足，因此具有优异的抗污性能，从而可大幅提高生产效率、减少投资规模和运行成本。流体复合膜系统可广泛用于环境、能源、化学反应器、医药等各个方面，此外，由于该系统排液阻气不依赖重力作推动力，可满足中国空间站及载人深空探测器对气液分离技术的需求，空间气液分离技术的研究无疑将对我国未来航天事业的发展奠定基础。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：通过多孔膜与功能流体复合，调节膜结构、孔径大小、输运流体流速等参数，获得能够使液体容易透过而阻塞气体的流体复合膜系统，并有效提高分离效率，以满足微孔膜气液分离的应用需求。

本发明基于液体门控技术，将固体多孔膜与功能流体复合，构筑流体复合膜系统，获得分离效率高达100％的透液阻气体系，在环境、能源、化学反应器、医药、航空航天等领域具有广阔的应用前景。有效解决了传统膜分离方法中无法实现透液阻气功能、易污染、使用寿命低、分离效率低、投资成本高等问题，利用流体复合膜系统进行气液分离，是一种投资成本低、高效分离、易于产业化推广的新型微孔膜气液分离技术。

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种高效透液阻气的流体复合膜系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括固体多孔膜和功能流体，所述功能流体浸润固体多孔膜形成可使输运流体通过的流体门控通道，在相同流速下输运液体时比输运气体更容易通过流体门控通道。

所述功能流体与固体多孔膜的浸润性大于输运流体与固体多孔膜的浸润性。

所述功能流体与输运流体不互溶。

所述固体多孔膜结构为编织网状结构。

所述编织网状结构的固体多孔膜为金属材质或高分子网膜。

所述输运流体为气体单相或液体单相或气液两相混合。

所述在相同流速下输运液体时比输运气体更容易通过流体门控通道，其特征在于输运流体通过流体门控通道的难易通过压强测试获得，过膜压强较低即为容易过膜。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种高效透液阻气的流体复合膜系统，与现有技术相比，本发明利用简单的方法构筑易于工业化规模生产的流体复合膜系统，实现传统膜难以实现的液过气不过(即透液阻气)的功能，能够实现100％高效分离气体和液体，并有效抗污，可循环使用，提高使用寿命，减少实际运行成本，可充分满足能源、环境、医药、航天等各领域对微孔膜分离技术的应用需求。

附图说明

图1为实施例1流体复合膜系统结构图；

图2为实施例1所用不锈钢网SEM图；

图3为实施例1气液压强测试图；

图4为实施例1气液分离装置的俯视图；

图5为实施例1实现气液彻底分离的实物图；

图6为实施例2气液分离装置用于质子交换膜燃料电池尾气分离结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1：

参考图1，本发明的高效透液阻气的流体复合膜系统，包括固体多孔膜1和功能流体2，所述功能流体2浸润固体多孔膜1形成可使输运流体3通过的流体门控通道，在相同流速下输运液体时比输运气体更容易通过流体门控通道。所述功能流体2与固体多孔膜1的浸润性大于输运流体3与固体多孔膜1的浸润性，所述功能流体2与输运流体不互溶。当输运流体3为气液混合物时，只有液体可以通过复合膜，气体不能通过。

所述固体多孔膜选用编织网状结构的不锈钢网，孔径20μm，厚度180μm，直径25mm，所述功能流体选用二甲基硅油，粘度500cP，二甲基硅油浸润不锈钢网形成可使输运流体通过的流体门控通道，输运流体分别为空气、超纯水或二者混合物。二甲基硅油与不锈钢网的浸润性大于输运流体与不锈钢网的浸润性，且二甲基硅油与输运流体不互溶。将该高效透液阻气的流体复合膜系统封装于密封外壳体中，在流速1mL/min下，进行压强测试由图3可以看出空气和超纯水过膜的临界压强分别为1870Pa和860Pa，所以输运超纯水时比输运空气更容易通过流体门控通道。

参考图4，采用本实施例提供的透液阻气的流体复合膜系统作为分离膜，将其密封于气液分离腔体中。所述气液分离腔体包括夹持装置3和密封材料4，所述夹持装置3包括左夹持件31和右夹持件32，夹持装置3和密封材料4之间形成腔体，固体多孔膜1和功能流体2设于腔体内，腔体内还包括在固体多孔膜1左侧的流体分离通道5，流体分离通道5水平方向放置，分离过程不依赖重力作用。腔体两侧设有分别位于流体门控通道两侧的气液混合流体输运进口6和液体分离出口7，以及与流体输运进口6位于固体多孔膜1同侧的气体输运出口8。

图5为采用本实施例提供的透液阻气的流体复合膜系统做气液分离结果实物图，气液分离效率可达100％，可实现气液高效分离。

实施例2：

如图6所示：为了进一步说明该高效透液阻气的流体复合膜系统应用，参考图6，将图4所示的气液分离装置(虚线框1中)与质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)(虚线框2中)结合，用作阴极产生O2/H2O的尾气分离，使水体在流体复合膜系统进口端冷凝后通过流体复合膜在后端出口被排出，而氧气被阻挡在流体复合膜的前端，从管道通入PEMFC阴极的进气口，作为反应原料循环利用，有利于提高原料的利用率，节省PEMFC的使用费用，在阳极和阴极中间为膜电极(Membrane electrode assembly，MEA)。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。