磁场下的气体膜分离制造技术

描述了在磁场下和采用膜分离至少两种不同气体的气体混合物的装置、方法和用途。

Gas membrane separation under magnetic field

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】磁场下的气体膜分离
本专利技术涉及用于在磁场下并通过使用膜将至少两种不同气体的气体混合物分离成各自的组分的装置、方法和用途。
技术介绍
很早以前已经证明某些气体对磁场的敏感性，然而到目前为止，这种原理在基于膜分离各种气体混合物中的应用还未彻底研究。由磁场引起的排斥力或吸引力可以选择性地作用于表现出高磁化率的混合物，如含氧气、氮气或二氧化碳的气体。法拉第在1847年首先报道，氧气的气泡会被吸引到强磁场的中心(J.Tyndall,Faraday作为发现者,London:Longmans,Green,andCo.,(1868)108-119)。大约100年后，Pauling、Wood和Sturdivant根据这种现象开发出了一种测定空气中氧分压的顺磁氧分析仪(L.Pauling,R.E.Wood,J.H.Sturdivant,Aninstrumentfordeterminingthepartialpressureofoxygeninagas,J.Amer.Chem.Soc.68(1946)795-798)。1989年，S.Ueno观察到在磁场开始时由位于两个磁极之间的蜡烛所产生的火焰熄灭，并引入了称为“电磁幕”的模型解释这一现象(S.Ueno,Quenchingofflamesbymagneticfields,J.Appl.Phys.65(1989)1243)。在两篇连续论文中，Wakayama研究了梯度磁场下气流的行为，并表明与从相对较高的磁场中逸出的氮气以及未观察到磁效应的空气相反，任何含有大于30％的氧的气体组被磁场吸引并行为类似同磁流体(N.I.Wakayama,Behaviorofgasflowundergradientmagneticfields,J.Appl.Phys.69(1991)2734–2736andN.I.Wakayama,MagneticPromotionofCombustioninDiffusionFlames,Combust.AndFlame93(1993)207–214)。Tagawa等人(T.Tagawa,H.Ozoe,K.Inoue,M.Ito,K.Sassa,S.Asai,Transientcharacteristicsofconvectionanddiffusionofoxygengasinanopenverticalcylinderundermagnetizingandgravitationalforces,Chem.Engin.Sci.56(2001)4217–4223)在2001年根据上述Pauling、Wood和Sturdivant的实验研究了磁场对纯氧气通过直立圆柱体的瞬态对流和扩散的影响，并提出了描述基于Wakayama模型(N.I.Wakayama,H.Ito,Y.Kuroda,O.Fujita,K.Ito,Magneticsupportofcombustionindiffusionflamesundermicrogravity.CombustionandFlame,107(1996)187–192)的现象的数值近似。Gwak等人在2005年将此想法应用于γ-Fe2O3/氧化硅膜上并研究了磁场对于O2/N2混合物的影响(J.Gwak,A.Ayral,V.Rouessac,K.H.Kim,J-C.Grenier,L.Cot,J-H.Choy,Porousceramicmembranesexhibitingferri/ferromagneticpropertiesforseparation,Sep.andPurif.Techn.46(2005)118-124)。然而，使用制成的介孔膜并未显示由磁效应引起的分离电位，这可能归因于大直径孔中未能观察到这种效应的可能性。两年后，Strzelewicz和Grzywna根据Smoluchowski方程(Z.J.Grzywna,A.Michalec,FromaClannishrandomwalktogeneralizedSmoluchowskiequation,ActaPhys.Pol.B35(4)(2004)1463–1470)和空气中氮的简单扩散关系进一步研究了在磁场存在下O2/N2的分离(A.Strzelewicz,Z.J.Grzywna,Studiesontheairmembraneseparationinthepresenceofamagneticfield,J.Membr.Sci.294(2007)60-67)。此理论近似应用于有和无磁场的复合钕粉末/乙基纤维素膜，表明通过施加磁场可以实现空气的氧富集，理论预测与初步实验之间具有良好的一致性。Rybaka等人最近通过研究使用磁性钕粉/乙基纤维素聚合物膜的O2/N2分离进行了跟进，并报道了在400高斯(40mT)磁场下一次渗透过程中的氧气富集将近56％(A.Rybaka,Z.J.Grzywna,W.Kaszuwara,Ontheairenrichmentbypolymermagneticmembranes,J.Membr.Sci.336(2009)79-85)。Judkins等人的美国专利5,925,168描述了一种用于分离气体或其他流体的方法，该方法涉及将磁场放置于整体式碳纤维复合吸附材料上以更优先将某些气体或其他流体吸引于施加磁场的吸附材料上。Yamamoto等人的美国专利4,704,139描述了一种分离气体的方法，该方法包括：将包含顺磁性气体和非顺磁性气体的混合气体引入分离室并通过分离室内的可渗透膜将顺磁性气体和非顺磁性气体从混合气体中分离的步骤；和向混合气体的气体流以与其近似成直角地施加磁场以形成高梯度磁场区域，使得顺磁性气体和非顺磁性气体通过高梯度磁场从混合气体中分离的步骤。进一步描述的是一种用于分离气体的装置，该装置包括：分离室，其内部布置有可渗透膜；和磁场发生装置，其对穿过分离室中的可渗透膜并含有顺磁性气体和非顺磁性气体的混合气体的气体流近似成直角地施加磁场，使得高梯度磁场形成于对应于可渗透膜的磁支撑件附近。可渗透膜优选由硅酮聚合物制成。本专利技术目标的技术问题是混合物的分离。当前使用的方法是高度能量需求的。实际上，目前约15％的全球能源(至60×1015Btu/y)都用于分离和纯化，其中仅有一小部分由于热力学限制而贡献于实际的分离(例如，在蒸馏塔中，至10％的效率)。在此方面，需要开发出依靠用更有效的方法替代或组合热驱分离方法的节能策略。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供使用磁场分离气体混合物(即至少两种不同气体的混合物)的装置和方法，以及用于分离这种气体混合物的膜的各自用途。本专利技术的进一步的目的是提供导致分离的选择性提高的相应装置、方法和用途。本专利技术的另一个目的是提供克服，尤其是由通过膜间隙而非孔的气体流动方向，孔取向，膜厚度，均匀孔形态和功能所致的膜性能不足的当前缺点的装置、方法和用途。此外，本专利技术的目的是通过分别使用有利的装置、方法和用途而实现期望的气体分离，从而允许气体分离的能量节省。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于分离至少两种不同气体的气体混合物的装置，/n其中所述装置包括第一腔室和第二腔室，/n其中所述第一腔室具有至少一个用于将所述气体混合物进料到所述第一腔室的入口，/n其中所述第一腔室具有至少一个用于回收至少两种气体中的一种气体的至少一部分的出口，/n其中所述第二腔室具有至少一个用于回收至少两种气体中的另一种气体的至少一部分的出口，/n其中所述第一腔室和所述第二腔室接触并通过膜分隔开，/n其中所述膜被磁体围绕。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于分离至少两种不同气体的气体混合物的装置，
其中所述装置包括第一腔室和第二腔室，
其中所述第一腔室具有至少一个用于将所述气体混合物进料到所述第一腔室的入口，
其中所述第一腔室具有至少一个用于回收至少两种气体中的一种气体的至少一部分的出口，
其中所述第二腔室具有至少一个用于回收至少两种气体中的另一种气体的至少一部分的出口，
其中所述第一腔室和所述第二腔室接触并通过膜分隔开，
其中所述膜被磁体围绕。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，在具体实施方式中所述膜由中空纤维制成。


3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述中空纤维具有基本圆形的壁和所述基本圆形的壁内部的空隙。


4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述基本圆形的壁具有通过扫描电子显微镜(SEM)确定的130至160μm范围内的壁厚。


5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，基于聚酰亚胺的所述膜由市售聚酰亚胺制成。


6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述膜是已经被碳化的基于聚合物的膜。


7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述磁体是永磁体。


8.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述磁体是电磁体。


9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述磁体产生40mT或更大的磁场。


10.一种用于分...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔治斯·卡拉尼克劳斯，埃万盖洛斯·P·法瓦斯，尼古劳斯·S·埃利奥普洛斯，塞尔焦·K·帕帕乔治乌，
申请(专利权)人：哈里发科学技术大学，
类型：发明
国别省市：阿联酋;AE