醇脫水中空纖維滲透汽化膜及組件的研究.pdf

1、滲透汽化膜分離技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、低能耗、無污染等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成功地應(yīng)用于醇類化合物的脫水，水中易揮發(fā)有機(jī)物的脫除，特別是有望用于恒沸、近沸及同分異構(gòu)有機(jī)混合物的分離，成為替代耗能的蒸餾的第三代膜技術(shù)。當(dāng)前，日益加劇的能源危機(jī)為滲透汽化膜分離的工業(yè)化推廣應(yīng)用增加了一個(gè)契機(jī)，因此，如要打破目前滲透汽化膜品種單一，并獲得較大規(guī)模推廣應(yīng)用的局面，制備出性能優(yōu)異的滲透汽化膜及其膜組件就變得尤為重要。本文以醇類有機(jī)物脫水為研究目標(biāo)，主要開展有關(guān)中空纖

2、維滲透汽化透水復(fù)合膜及其組件研制。 本文首先用粘度法、紅外光譜法(FTIR)和掃描電鏡法研究了聚乙烯醇(PVA)與海藻酸鈉(SA)共混相容性范圍。PVA和SA共混比、交聯(lián)劑種類和交聯(lián)劑用量以及膜厚度對(duì)膜分離性能有顯著的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，共混膜中PVA比例升高，膜的滲透通量上升，分離因子下降；不同交聯(lián)劑交聯(lián)的膜有不同的分離性能，采用馬來酸酐交聯(lián)的膜，其滲透通量可高達(dá)1400g/m2.h，有較好的滲透通量；而用戊二醛交聯(lián)的膜分離因

3、子最高可達(dá)到3250，有較好的分離選擇性；對(duì)同一種交聯(lián)劑，隨著交聯(lián)劑(馬來酸酐)含量的增加，膜的分離因子增大，而滲透通量降低。FTIR分析表明，用馬來酸酐為交聯(lián)劑，成膜過程中海藻酸鈉和聚乙烯醇的-OH同馬來酸酐的酸酐基團(tuán)發(fā)生了酯化反應(yīng)。通過試驗(yàn)，還獲得制備優(yōu)良性能滲透汽化復(fù)合膜的制膜條件。 其次，用干濕相轉(zhuǎn)化法制備了聚偏氟乙烯中空纖維基膜，考察了聚偏氟乙烯含量、致孔添加劑種類、紡絲速度、內(nèi)凝膠浴流速和擠出速度對(duì)膜結(jié)構(gòu)的影響，得到

4、優(yōu)良結(jié)構(gòu)中空纖維的制膜條件。進(jìn)而分別以商用聚砜、聚丙烯腈和自制的聚偏氟乙烯膜為基膜，研制中空纖維復(fù)合膜，考察了不同支撐層對(duì)膜分離性能的影響，為滲透汽化支撐層的篩選與研制提供依據(jù)。還對(duì)比了板框式同中空纖維式膜組件的分離性能，在膜面積相等的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)中空纖維膜組件有較好的分離選擇性，而板框式膜組件有較好的滲透通量。 用優(yōu)化的制膜條件制得了聚乙烯醇與海藻酸鈉共混中空纖維復(fù)合膜，分別對(duì)乙醇、異丙醇、正丁醇、叔丁醇等有機(jī)物進(jìn)行滲透汽化脫

5、水試驗(yàn)，研究了料液濃度、操作溫度、料液流速等操作條件對(duì)膜分離效果的影響，用基團(tuán)貢獻(xiàn)法和粘度法解釋了這種膜對(duì)四種體系分離性能的差異。還考察了間歇操作條件下，膜的分離性能和料液被濃縮情況，以及膜的穩(wěn)定性。在45℃的操作溫度下，90wt％醇溶液中，料液流速為75ml/min時(shí)，膜的通量和分離因子分別為：J水/異丙醇=414g/m2.h，a水/異丙醇=1727； J水/正丁醇=585 g/m2.h，a水/正丁醇=606；J水/叔丁醇=370 g

6、/m2.h，a水/叔丁醇=725； J水/乙醇=384 g/m2.h，a水/乙醇=384。 制各了三個(gè)不同膜面積的中空纖維滲透汽化膜組件，考察了這些組件用于異丙醇脫水的放大效應(yīng)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著膜面積的增大，滲透通量呈下降趨勢(shì)，而分離因子卻有所上升。當(dāng)膜面積放大15倍時(shí)，滲透通量下降近一倍，而分離因子增加近一倍，其原因可能是大面積膜組件在長(zhǎng)度方向的溫降增大，膜后側(cè)壓力降增大引起的。還研究了較大膜組件在不同操作溫度下滲透

7、通量和進(jìn)料濃度之間的關(guān)系?；诔浞值脑囼?yàn)數(shù)據(jù)，用二次項(xiàng)擬合得到水和異丙醇滲透通量隨操作溫度和料液濃度變化的關(guān)聯(lián)式，試驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)了模型方程的正確性。 由溶解擴(kuò)散模型理論推導(dǎo)出滲透物的通量方程，結(jié)合中空纖維滲透汽化膜器的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程建立了中空纖維滲透汽化醇脫水的數(shù)學(xué)模型方程，用數(shù)值解法求解方程，獲得了料液濃度、料液流速、滲透?jìng)?cè)壓力、滲透蒸汽流速、滲透物中水的組成和滲透通量沿軸向方向的變化，為以后商業(yè)化膜組件設(shè)計(jì)提供理論與