一种采用DD3R分子筛膜提纯氙气的方法技术

本发明专利技术提供了一种采用DD3R分子筛膜提纯氙气的方法。我们开发出一种DD3R分子筛膜用于闭路医疗氙气麻醉过程中氙气的在线回用技术。单组分二氧化碳渗透性为1.5×10

【技术实现步骤摘要】
一种采用DD3R分子筛膜提纯氙气的方法
本专利技术涉及一种采用DD3R分子筛膜提纯氙气的方法，属于气体分离

技术介绍
稀有气体的制备和纯化是一种极具挑战性的过程。氙气作为一种极为珍贵的稀有气体，在半导体制造、光电源、航空和医疗成像与麻醉等领域具有广泛的应用。目前，氙气只能通过对空分尾气进一步低温精馏而获得。由于，氙气在空气中的丰度极低(0.087ppmv)，分离能耗极高，氙气的售价在$30,000～$60,000/m3gas,STP。除此之外，日益增加的工业需求被氙气市场的有限供应所限制。据估算，即使将全球所有空分装置加装氙气提取装置，其供应量也不足84,000m3gas,STP。因此，开发氙气在线回用技术是保障氙气有效供应的唯一途径。本申请所应用的医疗氙气回收，主要涉及的分离体系为N2、O2、CO2和Xe的混合气。德国DragerwekAktiengesellschaft公开了一种利用高压液化方法回收麻醉尾气中氙气的方法(US005520169)，需将气体加压至>60bar，使氙气液化从而实现与其他不凝结气体分离，再次气化可获得含量为80％氙气、12％氧气和8％氮气的混合物；需耦合活性炭和分子筛吸附等技术才能将二氧化碳移除。意大利SIADSOCIETA’ITALIANAACETILENE&DERIVATIS.P.A.公开报道了一种深冷回收麻醉尾气中氙气的方法(WO98/18718)，首先利用5～30％丙酮氢氧化钾溶液将二氧化碳吸收，然后再进行深冷分离，氙气回收率为90～92％。Smetannikov等人也公开了一种深冷回收氙气的方法(RU2238113)。德国MesserGriesheimGmbH和英国UWSVenturesLTD对深冷过程进行优化，分别公开深冷固化回收氙气(US006134914)和两级深冷的方法(WO2004/060459)。尽管利用氙气与气体组分相变温度的不同可以实现回收，但存在分离工艺繁琐、能耗极高、成本高的问题。Hargasser公开了一种麻醉呼吸系统(US2010/0258117)，提出利用活性炭、氧化硅、氧化铝或分子筛等固体吸附材料回收麻醉尾气中的氙气。美国AdvancedTechnologyMaterials公开了一种活性炭吸附回收氙气的方法(US2013/0112076)。美国AirProductsandChemicals公开了一种真空变压吸附回收氙气的方法(US8535414)，可用于氮气中0.1～2.5％氙气的回收。英国SagetechMedicalEquipmentLimited公开了一种多孔材料吸附与超临界二氧化碳萃取相耦合的分离方法(GB2574208)。浙江氙科医疗器械有限公司公开了一种固体氢氧化钠与氧化钙混合物脱除麻醉氙气中二氧化碳的方法(CN108837253)。固体吸附或吸收方法可以实现常温下氙气的回收，然而其再生过程需要高温处理，能耗较高，而且氙气回收率较低。膜分离技术不涉及相转化，可显著降低氙气回用的能耗；同时，膜分离技术可实现混合气体的连续分离，操作也更为简单，是一种更经济可靠的技术路线。德国KlausSchmidt公开了一种利用碳膜回收麻醉氙气的方法(US2010/0031961)，但膜通量仅为～5×10-9(J.Membr.Sci.2007,301,29-38)，不能满足麻醉呼吸机小型化、便携的技术要求。法国AirLiquide公开了一种有机膜循环使用麻醉氙气的方法(US2009/0126733)。
技术实现思路
目前，氙气的制备与回收技术以高能耗的冷冻精馏为主。日益增加的市场需求和产能上限迫使开发高效节能的氙气回用技术，比如膜分离技术。本专利技术开发出一种DD3R分子筛膜用于闭路医疗氙气麻醉过程中氙气的在线回用技术。单组分二氧化碳渗透性为1.5×10-7mol·m-2·s-1·Pa-1，二氧化碳对氙气的分离选择性为570。渗透通量比传统膜材料高出一个数量级。膜分离性能主要是由CO2和Xe分子在DD3R分子筛中扩散系数的差异所决定的。然而，CO2的传质速率却因Xe的存在却显著的降低，这与以前八元环分子筛膜在CO2/N2和CO2/CH4双元组分的分离结构差异很大。分子动力学模拟结果表明，Xe分子吸附在分子筛膜表面形成了CO2吸附和扩散的表面阻力。在医疗氙气麻醉相关条件下，即二氧化碳含量低于5％和水蒸气存在条件下，CO2渗透性和CO2/Xe分离选择性分别为2.0×10-8mol·m-2·s-1·Pa-1和67。由于DD3R分子筛膜的全硅特性，CO2的渗透性受水蒸气的影响较微弱，这与含铝分子筛膜孔道极易因吸附水而堵塞不同。高CO2通量和高CO2/Xe选择性，以及长时间稳定性，确保了中空纤维DD3R分子筛膜在医疗麻醉氙气在线回用的良好前景。一种采用DD3R分子筛膜提纯氙气的方法，包括如下步骤：采用DD3R对含有氙气的气体进行分离，氙气留存于截留侧。在一个实施方式中，所述的含有氙气的气体是指含有N2、Xe、CO2的气体。在一个实施方式中，所述的含有氙气的气体的成分是5％CO2,30％N2和65％Xe混合气。在一个实施方式中，所述的含有氙气的气体中还含有H2O。在一个实施方式中，所述的H2O的分压是2.3kPa。在一个实施方式中，在进行分离时，原料气的压力是1-3bar，温度是10-30℃。本专利技术还提供了：DD3R分子筛膜在对含有N2、Xe、CO2的气体中Xe分离中的应用。在一个实施方式中，所述的应用中，对CO2/Xe选择性为60以上。有益效果本专利提出的分子筛膜法麻醉氙气循环使用方法，可显著提升膜渗透通量；同时，分子筛膜为纯无机材料，生物相容性和抗菌性更好，用于医疗过程具有更高的安全性。DD3R是一种具有椭圆形8元环孔道的分子筛，其有效孔道尺寸为0.36nm×0.44nm。而且，DD3R分子筛的全硅特性使其具有一定的疏水性，可以有效削弱水蒸气对分子筛孔道的堵塞。附图说明图1是专利技术采用的DD3R分子筛膜的表面(左列)和断面(右列)的SEM照片。其中各个区域的含义是：不同SDA/H2O配比条件下合成的DD3R分子筛膜，SDA/H2O＝16/4000(a-b),8/4000(c-d),3/4000(e-f).图2是中空纤维DD3R分子筛膜的渗透性和分离性能。其中，(a)单组分渗透性和DD3R分子筛的[435126183]笼(操作条件是温度25℃，压力1bar)；(b)单组分(空心图例)和二元组份(实心图例)中CO2渗透性随压力的变化(操作条件是温度25℃，压力1bar增至3bar)；(c)Xe摩尔组成对CO2/Xe混合气分离性能的影响(进料压力：3bar)。图3是DD3R分子筛膜分离性能。(a)DD3R分子筛膜分离CO2/Xe性能与其他膜材料性能对比；(b)不同温度下,DD3R分子筛膜对CO2单组分,CO2/H2O二元组分和CO2/H2O/Xe三元组分分离性能；(c)DD3R分子筛膜在模拟医疗麻醉氙气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用DD3R分子筛膜提纯氙气的方法，其特征在于，包括如下步骤：采用DD3R对含有氙气的气体进行分离，氙气留存于截留侧。/n

【技术特征摘要】
20190627 CN 201910565055X1.一种采用DD3R分子筛膜提纯氙气的方法，其特征在于，包括如下步骤：采用DD3R对含有氙气的气体进行分离，氙气留存于截留侧。


2.根据权利要求1所述的采用DD3R分子筛膜提纯氙气的方法，其特征在于，在一个实施方式中，所述的含有氙气的气体是指含有N2、Xe、CO2的气体。


3.根据权利要求1所述的采用DD3R分子筛膜提纯氙气的方法，其特征在于，在一个实施方式中，所述的含有氙气的气体的成分是<5%CO2,~30%N2和>50%Xe混合气。


4.根据权利要求1所述的采用DD...

【专利技术属性】
技术研发人员：王学瑞，顾学红，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32