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第二章 膜分离技术应用
* 第二章高分子分离膜与膜分离技术 用于制备渗透蒸发膜的合成高分子材料包括聚 乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PSt)、 聚四氟乙烯(PTFE)等非极性材料和聚乙烯醇 (PVA)、聚丙烯腈(PAN)、聚二甲基硅氧烷 (PDMS)等极性材料。非极性膜大多被用于分离 烃类有机物,如苯与环己烷、二甲苯异构体,甲苯 与庚烷以及甲苯与醇类等,但选择性一般较低。 * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 极性膜一般用于醇—水混合物的分离。其中聚 乙烯醇是最引人注目的一种分离醇—水混合物的膜 材料。聚乙烯醇对水有很强的亲和力,而对乙醇的 溶解度很小,因此有利于对水的选择吸附。该膜在 分离低浓度水—乙醇溶液时有很高的选择性。但当 水的浓度大于40%时,膜溶胀加剧,导致选择性大 幅度下降。 * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 聚丙烯腈对水也显示出很高的选择性,但渗透 通量较小,所以通常被用作复合膜的多孔支撑层。 在工业发酵罐得到的是约5%的乙醇—水溶液,这时 采用优先透醇膜显然更为经济实用。最常用的透醇 膜材料是聚二甲基硅氧烷。但其对醇的渗透速率与 选择性都比较低,选择性α一般在10以下。 * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 3. 渗透蒸发技术应用领域 渗透蒸发作为一种无污染、高能效的膜分离技 术已经引起广泛的关注。该技术最显著的特点是很 高的单级分离度,节能且适应性强,易于调节。 目前渗透蒸发膜分离技术已在无水乙醇的生产 中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇 相比,可大大降低运行费用,且不受汽—液平衡的 限制。 * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 除了以上用途外,渗透蒸发膜在其他领域的应 用尚都处在实验室阶段。预计有较好应用前景的领 域有:工业废水处理中采用渗透蒸发膜去除少量有 毒有机物(如苯、酚、含氯化合物等);在气体分 离、医疗、航空等领域用于富氧操作;从溶剂中脱 除少量的水或从水中除去少量有机物;石油化工工 业中用于烷烃和烯烃、脂肪烃和芳烃、近沸点物、 同系物、同分异构体等的分离等。 * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 2.2.7 气体分离膜 1. 气体分离膜的分离机理 气体分离膜有两种类型:非多孔均质膜和多孔 膜。它们的分离机理各不相同。 (1)非多孔均质膜的溶解扩散机理 该理论认为,气体选择性透过非多孔均质膜分 四步进行:气体与膜接触,分子溶解在膜中,溶解 的分子由于浓度梯度进行活性扩散,分子在膜的另 一侧逸出。 * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 根据这一机理,研究结论如下: 1) 气体的透过量q与扩散系数D、溶解度系数S 和气体渗透系数成正比。而这些参数与膜材料的性 质直接有关。 2) 在稳态时,气体透过量q与膜面积A和时间t成 正比。 3) 气体透过量与膜的厚度l成反比。 * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 扩散系数D和溶解度系数S与物质的扩散活化能 ED和渗透活化能Ep有关,而ED 和Ep又直接与分子大 小和膜的性能有关。分子越小, Ep也越小,就越易 扩散。 这就是膜具有选择性分离作用的理论依据。 高分子膜在其Tg以上时,存在链段运动,自由 体积增大。因此,对大部分气体来说,在高分子膜 的Tg前后,D和s的变化将出现明显的转折。 * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 值得指出,在实际应用中,通常不是通过加大 两侧的压力差(Δp)来提高q值,而是采用增加表 面积A、增加膜的渗透系数和减小膜的厚度的方法 来提高q值。 (2)多孔膜的透过扩散机理 用多孔膜分离混合气体,是借助于各种气体流 过膜中细孔时产生的速度差来进行的。 * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 流体的流动用努森(Knudsen)系数Kn表示时, 有三种情况:Kn≤1 属粘性流动;Kn≥1 属分子流 动;Kn ≌1 属中间流动。 多孔膜分离混合气体主要发生在Kn≥1时,这 时气体分子之间几乎不发生碰撞,而仅在细孔内壁 间反复碰撞,并呈独立飞行状态。 * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 按气体方程可导出气体透过多孔性分离膜的分 离效率为: 此式说明,被分离物质的分子量相差越大,分 离选择性越好。 多孔膜对混合气体的分离主要决定于膜的结 构,而与膜材料性质无关。 (2—3) * 第二章高分子分离膜与膜分离技术 2. 制备气体分离膜的材料 (1)影响气体分离膜性能的因素 1)化学结构的影响 通过对不同化学结构
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