概述了氣體分離膜過程，并且對各種具有氣體分離功能的聚合物膜材料的起源與研究現狀進行了綜述，并指出了聚合物氣體分離膜材料應具有的特性。

一、氣體膜分離過程

氣體膜分離的歷史可追溯到1831年，當時英國人J.V.Mitchell發表了研究氣體透過橡膠膜的文章。后來，Graham提出了氣體透過橡膠膜的溶解-擴散-蒸發機理。至此，人們對膜氣體滲透有了初步的認識。

氣體膜分離過程是一種以壓差為驅動力的過程。當有高壓氣源時，采用膜法進行氣體分離常常是很有效的，因為無需外加功率消耗即可得到高的滲透流量，操作在高壓力比條件下可以實現有效分離。在低壓氣源時，提供分離所需的驅動壓力差有兩種方式：一種是原料氣加壓；另一種是滲透氣側抽空形成負壓以提供所需壓差。

氣體膜分離的效率可用產品純度和回收率來討論，它們是由膜自身特性(滲透系數和分離系數)和操作條件所確定。操作條件包括原料氣和滲透氣的壓力和各組分分壓，原料氣流速和其壓力降。這些因素將確定所需膜面積和功率消耗，從而給出該過程的經濟評估。

二、有機聚合物氣體分離膜材料

氣體分離膜材料可分為有機聚合物膜材料和無機膜材料兩大類，這里重點介紹有機聚合物膜材料。

1.纖維素類膜材料

J.P.Agrawal和S.Sourirajan在20世紀60年代就進行了醋酸纖維素膜分離氦氣的研究。后來AirProduct的Separex氣體分離器使用的也是醋酸纖維素材料。W.J.Koros等許多科研工作者還分別對醋酸纖維素材料的氣體滲透行為進行了分析。

后來人們對醋酸纖維素膜的改進主要集中在共混膜、復合膜和一些工藝的研究，以達到提高氣體滲透率、降低操作壓力的要求。

2.聚二甲基硅氧烷和聚炔類膜材料

聚二甲基硅氧烷類材料是硅橡膠的一種，而硅橡膠是人類最早進行氣體滲透行為研究的，早在19世紀人們就對它的氣體滲透行為進行了研究。后來人們又合成了許多種類的硅橡膠，聚二甲基硅氧烷就是這些合成材料中的一大類。近幾年Pinnau等人對烴類在聚二甲基硅氧烷中的滲透進行了研究。我國蘭州化學物理研究所已研制出了以聚砜為支撐膜，以聚二甲基硅氧烷為分離層的中空纖維膜組件。

3.聚烯烴類膜材料

這類材料是工業應用較早的氣體分離膜材料。DowChemical公司就采用聚4-甲基-1-戊烯為膜材料研制氣體分離器。但其缺點是氣體滲透率很低，所以，在后來的聚烯烴氣體分離膜材料的研究中，使用較多的是聚乙烯以及聚丙烯。

4.聚碳酸酯類膜材料

D.R.Paul和W.J.Koros等人測試了不同溫度下、含有不同取代基的聚碳酸酯的氣體滲透性能。這些取代聚碳酸酯包括四甲基聚碳酸酯(TMPC)、四甲基六氟聚碳酸酯(TMHFPC)、雙酚Z聚碳酸酯(PCZ)和各種鹵代聚碳酸酯等。聚碳酸酯分子鏈具有很高的剛性，因此其最主要的缺點是材料非常脆，易開裂；并且其耐溶劑性和耐磨損性較差；在高溫下易導致材料的老化。因此，在實際制膜中聚碳酸酯的應用并不多，但以其作為玻璃態聚合物氣體分離膜材料進行模擬、預測的研究較多[1]。

5.聚酰亞胺類膜材料

聚酰亞胺(PI)和聚醚酰亞胺(PEI)是應用較多的氣體分離膜材料。

5.1聚酰亞胺(PI)

PI是一類環鏈化合物，最早是由Bogert和Renshaw在1906年合成的。PI在20世紀80年代中期已受到了重視，以其優良的機械性能和熱穩定性首先用于氣體分離膜上[2]。特別是在一些具有很強工業背景的分離體系上，如H2/N2、O2/N2、H2/CH4、CO2/N2、CO2/CH4等。

5.2聚醚酰亞胺(PEI)

T.A.Barbari等在20世紀80年代報道了PEI材料的氣體滲透性能。后來許多研究工作者又制備了PEI不對稱膜。1987年Peinemann利用水不溶解鹵代烴作溶劑和各種有機非溶劑作非溶劑與凝膠劑，報道了制備平板PEI不對稱膜的方法。1998年Wang等以PEI/NMP/乙醇(非溶劑)為鑄膜液和水為芯液，研究了各種因素對PEI中空纖維不對稱氣體分離膜性能的影響。

6.聚砜類膜材料

6.1聚砜(PSf)

PSf在氣體膜分離領域的工業應用比較早，早期的工業化氣體分離器Monsanto的Prism分離器使用的就是聚砜材料[3]。該材料的分子結構賦予其較好的抗氧化性，較高的剛性、抗蠕變性和較強的尺寸穩定性、耐溫性。20世紀80年代，T.A.Barbari等報道了PSf材料的氣體滲透性能?？偟膩碇v，PSf材料的氣體滲透率較低，這是它的最大缺點。因此許多研究者從制膜工藝、復合膜的研制等方面入手，來彌補材料本身的這一缺點。

6.2聚醚砜(PES)

PES與PSf性質基本相同，只是由于PES中沒有脂肪烴集團，因而其熱穩定性較PSf略高一些。1993年H.Kumazawa等報道了PES材料的氣體滲透性能，并制備了PES非對稱平板膜。對PES氣體分離膜研究最多的是新加坡國立大學的科研團隊，他們研究了各種配方、工藝對膜性能的影響。

7.含二氮雜萘結構的聚芳醚砜酮(PPESK)

含二氮雜萘結構的聚芳醚砜酮（PPESK）是由大連理工大學于1993年研制成功的一種耐高溫特種聚合物，分子鏈結構使聚合物的自由體積增大，使其具有良好的滲透性和選擇性，是一種理想的膜材料。蹇錫高等報道了該材料的氣體滲透性能，結果表明PPESK材料制得的膜具有良好的耐熱性、選擇性和滲透性，具備在高溫下進行氣體分離的應用潛力。

三、聚合物氣體分離膜材料特性

聚合物氣體分離膜材料應該對透過組分有好的親和性，從而保證膜材料具有高滲透量、高選擇性；膜材料應該具有適宜的玻璃化轉變溫度、結晶狀態，以保證膜材料的耐高溫性能；膜材料分子結構的化學穩定性好，使材料的抗化學腐蝕、抗污染性能提高；高分子氣體分離膜材料應有相應的制膜方法，即適合的溶劑、重現性良好的制膜工藝等，這樣才能制備高質量的氣體分離膜。