气体膜分离技术是膜分离科学与技术的重要组成部分，经过20多年的应用发展，以其“经济、便捷、高效、洁净”的技术特点，成为膜分离技术中应用发展速度最快的独立技术分支，是继“深冷分离”和“变压吸附分离”之后，被称为最具发展应用前景的第三代新型气体分离技术，如图4-2所示。气体分离膜技术是利用不同气体通过某一特定膜的透过速率不同而实现物质分离的一种化工单元操作，它主要用于各种混合气体的分离，其传质推动力为膜两端的分压差，分离过程中无相变，因此能耗较低，分离过程容易实现；如果气源本身就具有压力，分离过程的经济性更加明显。氢提纯系统就是利用了氢气透过膜的速度较快的特点实现了氢气和其他有机小分子的分离。气体分离膜按膜材料可以分为无机膜和有机膜；而按膜形态的不同，又分为多孔膜和致密膜。其中多孔膜可分为对称（symmetric）膜和不对称（asymmetric）膜。

分离膜的选择非常复杂，受具体应用影响。一般渗透率、分离选择性、耐用性以及机械完整性是选择膜时考虑的主要参数，但必须结合工艺成本来考虑。上述参数在不同应用中相对重要性不同，其中选择性和渗透率是膜的最主要特性参数。选择性越高，过程的效率越高，获得一定渗透流量需要的驱动力（压力梯度）越低，因此系统的运行成本就更低。渗透率越高，所需要的分离膜面积越小，系统的投资成本越低。表4-2概括了聚合物膜和无机膜的特点，包括优点、缺点和发展现状。

图4-2 气体透过膜的相对渗透速度

表4-2 聚合物膜和无机膜的比较

多孔介质中气体传输原理大致分为以下5类（见图4-3）：

1）努森扩散：当孔径远小于分子自由程时，分子在膜中的扩散以努森扩散为主，努森扩散是基于分子质量不同而进行的扩散，其分离系数同分子质量的二次方根成反比，即

2）表面扩散：混合气体的一种或几种较好地吸附在膜孔表面，这种组分比不吸附组分扩散快，因此使混合气体分离，分离效应主要由混合气体组分吸附的选择性决定。因为吸附气体的表面扩散可以很快，同时，被吸附分子会阻碍不吸附气体分子以努森扩散通过膜孔，增加了总的分离选择性，所以，混合气体以表面扩散分离时，可以同时具有高选择性和高渗透性。(www.daowen.com)

3）毛细管凝结：混合气体中的一种或几种气体有选择性地冷凝在膜孔中，冷凝的气体通过扩散穿过膜孔，由于此组分在孔内凝聚，阻碍了其他组分的通过，这样发生凝聚的组分同没有发生凝聚的组分得以分离。这种原理要求的膜孔为中等孔，此分离原理主要适用于有易凝聚组分的气体分离。

图4-3 膜分离原理

a）努森扩散 b）表面扩散 c）毛细管凝结 d）分子筛分 e）溶解扩散

4）分子筛分（活化扩散）：它要求膜孔径为分子尺寸，分子筛分的基本原理就是直径小的分子通过膜，而直径大的分子则被截流。

5）溶解扩散：基于金属的氢固溶度和移动性的差别实现分离（详见4.3.4.1）。

气体分离膜的构成材料可分为高分子材料，无机材料，有机和无机复合材料。气体膜分离技术发展到今天，膜组件及装置的研究已经日趋完善，但膜的发展仍具有相当大的潜力。