摘要
氧气作为重要的能源原材料广泛需求于医疗、冶金、航空航天等各种领域之中，氧气体积分数超过21%的富氧空气，更是在海上大型舰船得到广泛应用。随着海上大型舰船的不断发展和进步，我国现代化舰船建设急需一种可以将变压吸附所制备的富氧气进一步提浓到99.5%的技术。当前众多的气体分离技术中，膜分离技术作为新兴的气体分离技术，过程成本低、设备操作简单、气体富集效率高，因此被认为是船载高纯氧制备技术的理想选择。结合膜分离过程的特点，本课题从选择合适的气体分离膜材料、中空纤维膜的纺丝、膜表面涂层以及分离过程工艺条件等方面开展了研究，主要内容包括： 通过膜分离制取船载医用高纯氧为研究背景，选择了适用于富氧过程的聚酰亚胺为膜材料，通过实验室自制的聚酰亚胺，采用干-湿相转化法制备了具有致密皮层的多孔中空纤维膜。为了提高O2/Ar分离系数，以制备的聚酰亚胺中空纤维膜基膜为底膜，以硅橡胶PDMS-184为涂层液对底膜制备过程中所产生的缺陷进行涂覆封堵，通过改变涂层方式，涂层液浓度，烘干温度以及涂层次数从而制备高选择性的聚酰亚胺中空纤维膜。结果表明，当涂层次数为一次、烘干温度为70℃、涂层方式为抽真空5min+2min、涂层液浓度为1.5wt%时，涂覆效果最佳，经涂覆后聚酰亚胺中空纤维膜的O2渗透速率为10.28GPU，Ar的渗透速率为3.02GPU，O2/Ar分离系数达到3.40。 将涂层后的聚酰亚胺中空纤维膜以及商业用聚醚酰亚胺中空纤维膜用于分离O2/Ar混合气体，以95%、96.5%、98%、98.5%四种氧浓度的O2/Ar混合气为原料气，系统地考察了膜材料、分离系数、温度、进气压力、原料气浓度、放空比和膜分离器长度等参数对制备高纯氧效果的影响，并设计了二级膜循环系统进行模拟对比。结果表明，膜的分离系数从根本上决定着富氧效果；随着温度提高，O2与Ar的渗透速率都增大，但是分离系数随之下降；增大进气压力和放空比都会在一定范围内提升膜的富氧性能，同时还会增加混合气处理量；对于不同浓度的原料气，原料气中氧气浓度越高，膜的渗透速率越大；膜分离器长度的优化也对促进膜富氧性能有一定影响，这些结果揭示了相关参数对氧气与氩气分离过程影响的规律，并验证了采用聚酰亚胺中空纤维膜制备符合国家标准医用高纯氧的可行性。
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