PVA复合膜的渗透汽化性能研究(I).doc

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1、PVA复合膜的渗透汽化性能研究(I)摘要：本文研究了以PAN膜为支撑层的PVA复合膜分离醇水溶液的性能。着眼于工业应用，揭示了渗透汽化操作条件对分离性能的影响，展示了长期运行时的分离性能。结果表明，PVA复合膜具有高渗透通量(J＞500g／m2·h)和优异分离率，长期运行(大于8个月)性能稳定。关键词：PVA复合膜渗透汽化酒精脱水分离性能　　崛起于液体分离领域的渗透汽化膜过程，正是由于运用了聚乙烯醇／聚丙烯腈(PVA／PAN)复合膜，才于80年代初首先在酒精脱水的工业生产中得到成功应用。我们设计开发成功的首台渗透汽化中试装置[1，2]采用的是以PVA为主要材料的复合膜。因此，开

2、发高选择性、高渗透通量的PVA复合膜是发展渗透汽化技术的一个主要研究方向。　　本文研制的PVA复合膜的酒精脱水分离性能，旨在揭示渗透汽化过程该复合膜的分离性能与过程参数的关系，着眼于工业应用，展示该复合膜长期运行时的分离性能。1　实验部分1.1　PVA复合膜的制备　　以聚丙烯腈(PAN)膜为支撑层，以聚乙烯醇(PVA)为活性层，制成PVA复合膜。1.2复合膜的性能测试　　渗透汽化性能测试采用膜下游抽真空，渗透物以液N2冷凝收集方法。膜有效面积为2.2×10-3m2。除说明外，运行温度31℃，膜面流速4.2×10-2m／s，膜下游压力7×103Pa--10×103Pa。　　以不同

3、浓度的酒精为料液，改变操作温度或膜下游真空度或膜面物料流速，可获得一定条件下复合膜的渗透汽化分离性能。渗透通量(J)以单位时间(h)单位膜面积(m2)透过的渗透物重量(g)表示，料液和渗透物的乙醇浓度(Xe、Ye)用气相色谱分析方法测定[3]。分离因子(α)的表达式为：　　　　α=［渗透物中水浓度（Yw）/渗透物中乙醇浓度（Ye）］/［料液中水浓度(Xw)／料液中乙醇浓度(Xe)］2　　结果与讨论2.1　渗透汽化操作条件的影响2.1.1　进料浓度的影响　　采用已在室温条件下贮存10.5个月后并已实验运行38天的4707号PVA／PAN复合膜，分别测试膜对不同浓度料液的分离性能，

4、结果见图1。　　7从图1可以看出，当料液的乙醇浓度增加时，复合膜的渗透通量直线下降，但其值均大于400g／m2·h，而渗透物中的乙醇在料液恒沸组成浓度时仍然检测不出，直到料液的乙醇浓度大于96wt％时，渗透物中乙醇浓度逐渐增加，但始终小于1.0wt％。结果表明，复合膜的渗透汽化性能优良，显著地表现在即使料液乙醇浓度大于99wt％时，仍具有较高的渗透通量和优异的选择分离性能。2.1.2　操作温度的影响　　采用已在室温条件下贮存10.5个月的4706号复合膜，在料液的乙醇浓度91.35wt％时，测定了不同的操作温度(tf)时的分离性能，结果见图2。　　图2显示，渗透通量的增加虽然变

5、化幅度不太大，但呈直线上升。而渗透物的乙醇浓度(Cp，e)在35℃以下操作时都检测不出；高于35℃，则随着操作温度的提高而明显的增加。这些性能变化符合大多数渗透汽化选择分离性能与温度的关系[4]。2.1.3操作压力的影响　　在渗透汽化过程的操作中，膜上游的压力即使在高达接近10MPa的压力范围内，都不会对膜的分离性能产生明显的影响[5]。因此，本文仅研究过程中膜下游压力的影响。表1列出了有关实验结果。表1下游压力对复合膜性能的影响（膜号：4707）膜下游压力（Pa)渗透通量（g/m2.h)乙醇浓度（wt%)已运行时间（d）料液渗透液1×10450694.1070.0302×10

6、364794.400.06447×10347699.290.271382×10361799.120.14743　　表1清楚表明，当膜下游压力减小即真空度提高后，无论是乙醇浓度小于恒沸组成或是高达99wt％以上的料液，复合膜的渗透通量都有较大增加，而渗透物中乙醇浓度没有显著变化，甚至用高浓度的料液运行时，由于真空度的提高，膜的分离率还略有改善。这是由于真空度提高后,组分传递的推动力即膜两侧的分压差增加，渗透通量随之增加。实验用的复合膜是PVA型优先透水膜，当膜下游压力降低时，造成汽相侧膜面由“湿态”向“干态”7转变，优先渗透组分即便是难挥发物，也会有非常好的选择分离性能[6]。显

7、然，膜下游压力为零时，渗透通量为最大。但在生产运行时，设定一个尽可能低的经济可行的操作压力，如表1所示，对高浓度乙醇的料液脱水是十分重要的。2.1.4　膜面流速的影响　　用乙醇浓度为94.10wt％的料液，进行了4707号膜面料液不同流速的试验(见图3)。结果表明，在实验范围内，改变膜面的料液流速，复合膜的分离因子没有变化，始终保持了无穷大的水平，但是复合膜的渗透通量随着膜面料液流速的增大呈逐渐上升，从图3可见，到流速(u)为0.03m／s之后，渗透通量呈恒定趋势。由此可见，在一定范围内，增