渗透汽化膜分离技术及其膜材料的选择

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1、第9卷第5期济南大学学报Vol.9No.51999年JOURNALOFJINANUNIVERSITY1999渗透汽化膜分离技术及其膜材料的选择杨勇,杨秀利,王建军(济南大学化学系,山东济南250002)摘要:本文介绍了渗透汽化膜分离技术的特点与应用,影响渗透汽化膜分离过程的因素以及膜材料的选择。关键词:渗透汽化;膜分离;膜材料1渗透汽化膜分离技术1.1引言渗透汽化(Pervaporation,简称PV)法是利用液体中二种组分在膜中溶解度与扩散系数的差别,通过渗透与汽化,将二种组分进行分离的一种方法。早在一百多年前,人们就发现了渗透汽化现象,但长期以来,由于未找到既有一定分离效果又有较高

2、通量的膜而一直未能得到应用。该技术得到广泛重视是在发生能源危机后的70年代末至80年代初,由于新聚合物的合成,膜制备技术的发展以及工业中降低能耗的要求,第一代渗透汽化膜才走向工业应用。今天渗透汽化膜分离技术的发展方兴未艾,应用领域不断拓宽,膜、膜材料及分离组件的研究不断深入,是一项日趋成熟和前景广阔的膜分离技术。1.2渗透汽化膜分离技术的基本原理渗透汽化技术是膜分离技术的一个新的分支,也是热驱动的蒸馏法与膜分离方法相结合的一种分离方法。不过,渗透汽化不同于常规膜分离方法,它在渗透过程中将产生由液相到气图1渗透汽化原理示意图相的转变。其分离机制可分为三步:(1)被分离物质在膜表面上有选择

3、性地被吸附并被溶解;50(2)以扩散的形式在膜内渗透;(3)在膜的另一侧变成气相脱附而与膜分离开来。渗透汽化分离物质的过程示意参见图1。图1中表示采用选择渗透的膜进行渗透汽化分离液体混合物,经渗透汽化分离,在膜的另一侧得到被浓缩的气态组分,经进一步冷凝后,得到产品。1.3渗透汽化膜分离技术的特点及其膜的制备方法渗透汽化膜分离技术的最大特点是单级选择性好,从理论上讲,渗透汽化分离的程度无极限,适合分离沸点相近的物质,尤其适于恒沸物的分离。对于回收含量少的溶剂也不失为一种好方法;另外渗透汽化过程操作简单,易于掌握;在操作过程中,进料侧原则上不需加压,所以不会导致膜的压缩,透过率也不会随时间

4、的增长而减小。而且,在操作过程中将形成溶胀活性层及所谓的“干区”,膜可自动转化为非对称膜。此特点对膜的透过率及寿命有益;但与其他膜分离技术相比,由于渗透汽化过程中有相变发生,能耗较高;与反渗透等过程相比,渗透汽化的通量较小。基于上述渗透汽化过程的特点,在一般情况下,渗透汽化技术尚难与常规分离技术相匹敌,但由于它所特有的高选择性,在某些特定的场合,例如在常规分离手段无法解决或虽能解决但能耗太大的情况下,采用该技术十分合适。渗透汽化膜分为均质膜和复合膜。均质膜的制备是先配制一定浓度的聚合物溶液,经脱泡后,在水浴上加热至一定的温度,然后在非常洁净的玻璃板上刮膜,并在室温或高于室温的无尘箱中干

5、燥而得到均质膜。最后将该膜置于一定温度下的交联浴中处理一定时间,再用蒸馏水浸泡以洗涤掉残余的交联液;复合膜的制备则是首先制得渗透汽化分离膜的底膜(通常用聚砜为膜材料,DMF为溶剂,PEG为添加剂),再配制用于渗透汽化膜表面层的聚合物溶液,用砂滤器过滤后,采用浸渍法或涂布法在底膜上形成皮层(其厚度主要由表层聚合物溶液的浓度控制)。然后在一定温度下干燥,二次涂敷,再干燥。1.4影响渗透汽化膜分离过程的因素渗透汽化过程中涉及多种梯度变化(如浓度、压力、温度),影响因素较多,主要有以下影响:(1)膜材料及结构以及被分离组分的物化性质。这是影响渗透汽化过程最重要的因素,它影响到组分在膜中的溶解性

6、和扩散性,也就直接影响到膜的分离效果。此外,膜材料和膜结构还决定了膜的稳定性、寿命、抗化学腐蚀及耐污染的好坏,以及膜的成本。而被分离组分的分子量、化学结构及立体结构将直接影响到它的溶解能力和扩散行为,组分之间存在的伴生效应将影响最终的分离效果。(2)温度的影响。温度对渗透性的影响可以由Arrhenius关系来描述。多数情况下,分离系数随温度的上升有所下降,但也有一些例外。(3)液体浓度的影响。随着进料液体中优先渗透组分浓度的提高,渗透总量也将提高。(4)上、下游压力的影响。渗透汽化受上游侧压力的影响不大,所以上游侧通常维持常压。下游侧压力的变化对分离过程有明显的影响。通常,随着下游侧压

7、力的增加渗透性下降;但此时分离系数上升;反之,分离系数下降。(5)膜厚度的影响。随着膜厚度的增加,传质阻力增加,渗透性降低。分离系数与膜厚度无关,这是因为分离作用是膜的极薄活性致密层决定的。1.5渗透汽化膜分离技术的应用自1984年德国GFT公司在巴西建成世界上第一套用于甲醇/水分离的渗透汽化工业装置以来,已有近140套装置在世界各地运转,日处理有机溶剂能力均在5000L以上。1988年建5152于法国的日产无水乙醇1.5×10L(合120t)