渗透汽化法浓缩丁醇的研究

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1、渗透汽化法浓缩丁醇的研究1、21、211＊罗建泉伊守亮苏仪万印华（1.中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室，北京100080；2.中国科学院研究生院，北京100049）摘要：本文采用渗透汽化膜分离技术，以模型发酵液（丙酮、丁醇、乙醇混合溶液，ABE）为研究对象，首先研究了不同膜材料及膜厚的渗透汽化膜对丁醇的透过性能，筛选出丁醇通量和选择性俱佳的渗透汽化膜。在此基础上，进一步考察了操作条件，如温度、真空度、错流速度、丁醇浓度等对丁醇浓缩效果的影响。关键字：渗透汽化；丁醇；ABE丁醇不仅是重要的有机化工原料，还是一种新型的生物燃料，它可通过微生物发

2、酵法和化工合成法生产。随着近年来石油价格的飞速上涨，加之石油资源的日益紧缺，发酵法生产丁醇日益受到各国的关注。然而发酵法生产丁醇过程中，获得的发酵产物为丙酮、丁醇、乙醇三者的混合物（ABE），且其总浓-1[1]度很低（一般仅为10~20g·L），因此，能否采用经济节能的方法将发酵液中的丁醇高效分离浓缩是发酵生产丁醇的关键。传统的醇-水分离工艺，如恒沸精馏和萃取蒸馏等分离过程不仅能耗成本高，而且往往需使用对人体有害的物质如共沸剂等。而渗透汽化(PV)法单级分离效率高，操作简单且能耗低，无污染，易与其它技术耦合，因此具有良好的应用前景。国内对渗透汽化的研究大

3、多集中在对乙醇/水的分离及其发酵分离耦[2,3]合，但关于渗透汽化对丁醇/水的分离研究较少，胡龙飞等曾利用改性壳聚糖渗透汽化膜对浓度为80~92%的叔丁醇溶液进行了脱水研究。本文采用渗透汽化膜分离技术，以模型发酵液（ABE溶液）为研究对象，比较了不同渗透汽化膜的分离性能，系统地研究了各种因素对其分离效果的影响，以期为渗透汽化法分离ABE发酵液的进一步研究和应用提供实验依据及技术基础。1实验部分1.1实验材料实验所用渗透汽化膜为实验室自制，分别由107胶（北京有机化工厂）和TSE3032（日本东芝公司）制备而成，主要成分为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。正丁醇

4、、丙酮、乙醇均为分析纯试剂，正丙醇为色谱国家973计划资助课题（2007CB714305）.作者简介：罗建泉（1983－），男，湖南湘潭人，硕士，主要从事膜分离过程＊研究.通讯联系人（yhwan@home.ipe.ac.cn）纯，购自津科精细化工研究所。1.2实验方法－32渗透汽化装置如图1所示，实验所用膜组件主体为圆形，有效面积为7.234×10m。实验采用错流循环方式，料液温度通过水浴控制（温度控制精度为±0.3℃），初始料液体积为3L，如无特别说明，实验时透过液侧压力均控制在1.5mmHg。料液中有机物浓度采用气相色谱（Agilent4890D）法

5、检测。2结果与讨论2.1渗透汽化膜的评测与筛选渗透汽化膜的通量与选择性是反映膜性能的两个基本参数。表1为不同膜材料与膜厚的渗透汽化膜在相同条件下对ABE模型液的分离效果。由表可见，采用107胶制备的渗透汽化膜对丁醇的透过性能明显优于TSE3032胶，因此选择107胶所图1渗透汽化流程图Fig.1Schematicdiagramofpervaporationsystem表1不同渗透汽化膜处理ABE溶液结果比较Table1PervaporationresultsusingdifferentmembranesforseparationofABEsolution

6、MembraneSelectivityTotalButanolMembraneThicknessfluxFluxmaterialsButanolABE/waterButanol/AcetoneButanol/Ethanol-2-1-2-1/µm/g·m·h/g·m·h20053.6559.401.135.7269.5625.6410710047.1753.281.135.70118.7144.45TSE303215038.7538.631.125.4272.6319.62-1Temperature50℃，crossflowrate1200ml·min，f

7、eedconcentrationA:≈4g/L,B:≈10g/L,E:2g/L.制膜做后续研究。从表中还可以看出，随着膜厚的减小，丁醇通量大幅上升，但选择性下降，这是由于减小膜厚能降低膜内的传质阻力增大通量，但由于边界层效应，丁醇通量增加导致膜表面丁醇浓度下降，使得丁醇通量的增加幅度不及水，从而选择性下降。2.2各种因素对渗透汽化浓缩丁醇的影响2.2.1温度的影响图2为温度对丁醇的通量和选择性的影响。由图可知，随着温度上升，通量增大，这是因为温度上升，[4]ABE和水在膜中的溶解和扩散、以及它们在膜两侧的吸附与解吸速率都增强。从图2可以看出，膜在[4]5

8、0℃左右时对丁醇的选择性最高，Huang等也报道了类似实验结果。2.2.2真空度