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1、第9卷第5期濟南大學學報Vol.9No.51999年JOURNALOFJINANUNIVERSITY1999滲透汽化膜分離技術及其膜材料的選擇楊勇,楊秀利,王建軍(濟南大學化學系,山東濟南250002)摘要:本文介紹了滲透汽化膜分離技術的特點與應用,影響滲透汽化膜分離過程的因素以及膜材料的選擇。關鍵詞:滲透汽化;膜分離;膜材料1滲透汽化膜分離技術1.1引言滲透汽化(Pervaporation,簡稱PV)法是利用液體中二種組分在膜中溶解度與擴散系數的差別,通過滲透與汽化,將二種組分進行分離的一種方法。早在一百多年前
2、,人們就發(fā)現了滲透汽化現象,但長期以來,由于未找到既有一定分離效果又有較高通量的膜而一直未能得到應用。該技術得到廣泛重視是在發(fā)生能源危機后的70年代末至80年代初,由于新聚合物的合成,膜制備技術的發(fā)展以及工業(yè)中降低能耗的要求,第一代滲透汽化膜才走向工業(yè)應用。今天滲透汽化膜分離技術的發(fā)展方興未艾,應用領域不斷拓寬,膜、膜材料及分離組件的研究不斷深入,是一項日趨成熟和前景廣闊的膜分離技術。1.2滲透汽化膜分離技術的基本原理滲透汽化技術是膜分離技術的一個新的分支,也是熱驅動的蒸餾法與膜分離方法相結合的一種分離方法。不過
3、,滲透汽化不同于常規(guī)膜分離方法,它在滲透過程中將產生由液相到氣圖1滲透汽化原理示意圖相的轉變。其分離機制可分為三步:(1)被分離物質在膜表面上有選擇性地被吸附并被溶解;50(2)以擴散的形式在膜內滲透;(3)在膜的另一側變成氣相脫附而與膜分離開來。滲透汽化分離物質的過程示意參見圖1。圖1中表示采用選擇滲透的膜進行滲透汽化分離液體混合物,經滲透汽化分離,在膜的另一側得到被濃縮的氣態(tài)組分,經進一步冷凝后,得到產品。1.3滲透汽化膜分離技術的特點及其膜的制備方法滲透汽化膜分離技術的最大特點是單級選擇性好,從理論上講,滲
4、透汽化分離的程度無極限,適合分離沸點相近的物質,尤其適于恒沸物的分離。對于回收含量少的溶劑也不失為一種好方法;另外滲透汽化過程操作簡單,易于掌握;在操作過程中,進料側原則上不需加壓,所以不會導致膜的壓縮,透過率也不會隨時間的增長而減小。而且,在操作過程中將形成溶脹活性層及所謂的“干區(qū)”,膜可自動轉化為非對稱膜。此特點對膜的透過率及壽命有益;但與其他膜分離技術相比,由于滲透汽化過程中有相變發(fā)生,能耗較高;與反滲透等過程相比,滲透汽化的通量較小?；谏鲜鰸B透汽化過程的特點,在一般情況下,滲透汽化技術尚難與常規(guī)分離技術
5、相匹敵,但由于它所特有的高選擇性,在某些特定的場合,例如在常規(guī)分離手段無法解決或雖能解決但能耗太大的情況下,采用該技術十分合適。滲透汽化膜分為均質膜和復合膜。均質膜的制備是先配制一定濃度的聚合物溶液,經脫泡后,在水浴上加熱至一定的溫度,然后在非常潔凈的玻璃板上刮膜,并在室溫或高于室溫的無塵箱中干燥而得到均質膜。最后將該膜置于一定溫度下的交聯浴中處理一定時間,再用蒸餾水浸泡以洗滌掉殘余的交聯液;復合膜的制備則是首先制得滲透汽化分離膜的底膜(通常用聚砜為膜材料,DMF為溶劑,PEG為添加劑),再配制用于滲透汽化膜表面
6、層的聚合物溶液,用砂濾器過濾后,采用浸漬法或涂布法在底膜上形成皮層(其厚度主要由表層聚合物溶液的濃度控制)。然后在一定溫度下干燥,二次涂敷,再干燥。1.4影響滲透汽化膜分離過程的因素滲透汽化過程中涉及多種梯度變化(如濃度、壓力、溫度),影響因素較多,主要有以下影響:(1)膜材料及結構以及被分離組分的物化性質。這是影響滲透汽化過程最重要的因素,它影響到組分在膜中的溶解性和擴散性,也就直接影響到膜的分離效果。此外,膜材料和膜結構還決定了膜的穩(wěn)定性、壽命、抗化學腐蝕及耐污染的好壞,以及膜的成本。而被分離組分的分子量、化
7、學結構及立體結構將直接影響到它的溶解能力和擴散行為,組分之間存在的伴生效應將影響最終的分離效果。(2)溫度的影響。溫度對滲透性的影響可以由Arrhenius關系來描述。多數情況下,分離系數隨溫度的上升有所下降,但也有一些例外。(3)液體濃度的影響。隨著進料液體中優(yōu)先滲透組分濃度的提高,滲透總量也將提高。(4)上、下游壓力的影響。滲透汽化受上游側壓力的影響不大,所以上游側通常維持常壓。下游側壓力的變化對分離過程有明顯的影響。通常,隨著下游側壓力的增加滲透性下降;但此時分離系數上升;反之,分離系數下降。(5)膜厚度的
8、影響。隨著膜厚度的增加,傳質阻力增加,滲透性降低。分離系數與膜厚度無關,這是因為分離作用是膜的極薄活性致密層決定的。1.5滲透汽化膜分離技術的應用自1984年德國GFT公司在巴西建成世界上第一套用于甲醇/水分離的滲透汽化工業(yè)裝置以來,已有近140套裝置在世界各地運轉,日處理有機溶劑能力均在5000L以上。1988年建5152于法國的日產無水乙醇1.5×10L(合120t)
