渗透汽化膜膜分离技术的研究进展综述.doc

渗透汽化膜膜分离技术的研究进展综述 1.基本原理 渗透汽化(渗透蒸发,Pervaporation，简称PV)是一种新型膜分离技术。渗透汽化膜的基本原理是渗透汽化是利用致密高聚物膜对液体混合物中组分的溶解扩散性能不同来实现其分离的一种膜过程，有机混合物原料液经加热器加热到一定温度后，在常压下送入膜分离器与膜接触，在膜的下游侧用抽真空或载气吹扫的方法维持低压。 这样，渗透物组分在膜两侧的蒸汽分压差(或化学位梯度)的作用下透过膜，并在膜的下游侧汽化，被冷凝成液体而除去。不能透过膜的截留物流出膜分离器。因此，渗透汽化过程是依靠不同组分在特定聚合物膜中溶解扩散能力不同，透过速率不同，从而实现不同组分分离的目的。 2.研究进展 渗透汽化是膜分离技术的新秀。渗透汽化是同时包括传质和传热的复杂过程,在80 年代初开始建立小型的工业装置，近十余年来,用于有机物水溶液的分离已经从应用基础研究发展为大规模的工业应用。 1982 年德国GFT 公司率先开发亲水性的GFT 膜、板框式组件及其分离工艺,成功地应用于无水乙醇的生产[6]。生产能力为1 500 L/ d 成品乙醇，从而奠定了PV 的工业应用基础。同年在巴西也建成了日产1 300 L 无水乙醇的工厂[2～4 ] . 此后,PV 生产规模越来越大,欧、美、日等国的公司、厂商竞相引进这一技术. 1988 年法国建成了迄今世界上最大的年产4 万吨无水乙醇的工厂。 紧接着。日本也建立了若干有机溶剂脱水工厂，用于乙醇、异丙醇、丙酮、含氯碳氢化合物等有机水溶液混合物的脱水。 目前,世界上已相继建成了140 余套渗透汽化工业装置。 3.特点 与蒸馏等传统的分离技术相比,渗透汽化过程的特点是:(1)高效。选择合适的膜,单级就能达到很高的分离度。(2)能耗低。一般比恒沸精馏法节能1/ 2～2/ 3。(3)过程简单,附加的处理少,操作方便。(4)过程不引入其它试剂,产品和环境不会受到污染。(5)便于放大及与其它过程耦合和集成。 渗透汽化膜的基本特征是具有各相异性形态的能起分离作用的致密薄层。有各种不同的渗透汽化膜, 按材料分有有机高分子膜和无机膜; 按结构分有均质膜、非对称膜和复合膜。匀质膜呈结构均一的致密无孔状, 通常用自然蒸发凝胶法制成, 厚度较大(一般为几十μm) ,组分透过膜的阻力大,通量小,无实用意义,一般在实验室研究中使用。非对称膜由无孔致密皮层及多孔支撑层组成, 皮层的厚度为0. 1～1μm, 由同一种材料经相转化方法一次制成。目前尚未制得分离性能很好的非对称渗透汽化膜。复合膜是由多孔的支撑层上覆盖一层致密分离层而成, 分离层与支撑层一般由不同的材料制得,分离层的厚度为0. 1μm到几个μm。在多孔支撑层表面制取分离层的方法有浸渍法、涂布法、等离子聚合法和界面聚合法等。按功能分有亲水膜、亲有机物膜和有机物分离膜。亲水膜也称水优先透过膜, 由具有亲水基团的高分子材料或高分子聚电解质的分离活性材料制成。最典型的如GFT膜,其分离层由亲水的PVA材料制成。亲有机物膜,也称有机物优先透过膜,采用低极性及低表面能的聚合物作为分离活性材料制成,目前主要有硅橡胶及其改性物、聚取代烃、含氟高聚物及改性物。有机物分离膜即有机混合物分离膜, 其膜材料的选择没有普遍原则, 必须针对所分离体系的物理化学性质, 目前开发较为成功的有芳烃/ 烷烃分离膜、醇/ 醚分离膜。 4.传质模型 渗透汽化是同时包括传质和传热的复杂过程,用于描述其传递过程机理的模型有多种,如溶解扩散模型、孔流模型、不可逆热力学模型、虚拟相变溶解扩散模型、非平衡溶解扩散模型等。其中普遍认可的是溶解扩散模型。根据溶解扩散模型,渗透物组分通过膜的传递分为3个步骤:料液中渗透组分的液体分子在膜上游侧表面溶解;然后扩散通过膜;最后在膜下游侧解吸进入汽相。简称为溶解 —扩散 —解吸。溶解扩散模型实现的方法是:将欲分离的有机混合液(供给液)置于膜的一侧,另一侧抽真空或让快速流动的惰性气体通过,这样,供给液(欲分离体系)中的各液体组分选择性溶解、扩散透过膜,然后从膜的透过侧表面气化,蒸气直接放空或被冷却重新转变为液态,从而达到浓缩分离的目的。所以渗透汽化是一个既有质量又有热量通过膜的传递过程,离开膜的物料温度和浓度都与原加入料液不同。渗透汽化过程中由于温度降低使得易渗透组分的分压既随滞流物浓度降低而降低,又随温度降低而降低,导致滞流物的推动力比原加料的低,同时也使横跨膜的流量减少。为了避免温度过低带来不良影响,现在普遍采用将膜区分成多级的方式。经预热的原料液进入第一级膜,在此级中由于渗透蒸发失去热量使得温度降低,经膜分离的料液通过中间热交换器被重新加热到原料液温度,进入第二级膜,直到最后经分离的料液达到指定组成为止。根据溶解扩散模型假定,扩散是控制步骤,而液2膜界面的溶解