炭膜分離過程的機(jī)理和建模研究.pdf

1、炭膜是由含碳物質(zhì)經(jīng)高溫?zé)峤馓炕瞥傻囊环N新型無機(jī)膜。它不僅具有良好的耐高溫和耐化學(xué)溶劑侵蝕的能力、發(fā)達(dá)的微米或納米級孔隙和較高的機(jī)械強(qiáng)度，還具有制備成功率高、孔徑易控制和清潔程度高等特點(diǎn)，因此在液體和氣體分離方面有獨(dú)到之處。但目前對炭膜的液體分離研究大多還處于實(shí)驗(yàn)室階段，離工業(yè)應(yīng)用有一定的距離。主要原因是對分離過程機(jī)理不明確和對污染控制措施不利等。因此研究炭膜液體分離機(jī)理和建立機(jī)理模型十分必要。在氣體分離方面，因炭膜具備誘人的應(yīng)用前景，

2、故炭膜氣體分離技術(shù)被認(rèn)為是本世紀(jì)可部分替代現(xiàn)有分離技術(shù)的一個(gè)重要方法。但目前受膜制備方面的影響，氣體分離炭膜還沒有在工業(yè)上被廣泛采用。所以加強(qiáng)膜的制備研究以及從機(jī)理上進(jìn)行氣體分離過程的研究來促進(jìn)膜的制備，更有十分重要的意義。 針對以上情況，本文在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從建立液體分離系統(tǒng)的機(jī)理模型和氣體分離的分子模擬兩個(gè)部分開展炭膜分離過程的機(jī)理研究，主要研究內(nèi)容如下： 以煤粉為原料、以羧甲基纖維素(CMC)為粘結(jié)劑制備管狀煤基炭

3、膜。以管狀煤基炭膜作為支撐體、以聚糠醇作為前驅(qū)體材料制備復(fù)合氣體分離炭膜。為實(shí)驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。 在煤基炭膜微濾剛性顆粒(以二氧化鈦為代表)液體混合物實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過探討過程機(jī)理，建立描述微濾過程通量隨時(shí)間變化的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)確定微濾過程中濾餅層孔隙率的分布、顆粒的沉積粒徑分布、餅層阻力及餅層厚度增長變化等。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其他文獻(xiàn)發(fā)表模型計(jì)算數(shù)據(jù)的對比，證明所建模型的適用性。 在煤基炭膜微濾可變形粒子(以油滴為代表)混

4、合液實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析微濾過程的阻力分布，探討微濾過程機(jī)理，并討論將以上所建剛性顆粒微濾系統(tǒng)模型應(yīng)用于本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)措施。 在氣體滲透實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用單孔狹縫模型和μVT-非平衡分子動(dòng)力學(xué)(μVT-NEMD)方法對炭膜氣體分離過程進(jìn)行分子模擬研究。針對常規(guī)單孔狹縫模型模擬過程中化學(xué)勢和壓力計(jì)算時(shí)由于分子間相互作用的截?cái)喽a(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，本文增加了尾部貢獻(xiàn)來進(jìn)行模型校正，并根據(jù)壓力和溫度對CH4和CO2純組分氣體傳遞過程的影響，確

5、定了L-J參數(shù)和通量隨時(shí)間的變化函數(shù)，由此考察CO2/CH4混合氣體通量和氣體與膜孔壁間相互作用勢能隨孔徑的變化趨勢，確定分離過程機(jī)理。 構(gòu)建合適的膜的孔網(wǎng)絡(luò)模型和孔徑分布函數(shù)，采用臨界路徑分析方法(CPA)對膜孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并結(jié)合單孔狹縫模型模擬得到的CH4/CO2混合氣體通量變化關(guān)系，確定炭膜分離CH4/CO2混合氣體時(shí)的孔徑范圍，解決氣體通量與分離選擇性之間矛盾的問題。最后，嘗試將孔網(wǎng)絡(luò)模型的研究結(jié)果應(yīng)用于炭膜分離