PVA復(fù)合膜的滲透汽化性能研究(I)

1、    PVA復(fù)合膜的滲透汽化性能研究(I)            作者：蔡邦肖時(shí)間：2007-11-24 17:47:00                     摘要：本文研究了以PAN膜為支撐層的PVA復(fù)合膜分離醇水溶液的性能。著眼于

2、工業(yè)應(yīng)用，揭示了滲透汽化操作條件對(duì)分離性能的影響，展示了長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的分離性能。結(jié)果表明，PVA復(fù)合膜具有高滲透通量(J500gm2·h)和優(yōu)異分離率，長(zhǎng)期運(yùn)行(大于8個(gè)月)性能穩(wěn)定。 關(guān)鍵詞：PVA復(fù)合膜 滲透汽化 酒精脫水 分離性能  崛起于液體分離領(lǐng)域的滲透汽化膜過程，正是由于運(yùn)用了聚乙烯醇聚丙烯腈(PVAPAN)復(fù)合膜，才于80年代初首先在酒精脫水的工業(yè)生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用。我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)成功的首臺(tái)滲透汽化中試裝置1，2采用的是以PVA為主要材料的復(fù)合膜。因此，開發(fā)高選擇性、高滲透通量的PVA復(fù)合膜是發(fā)展?jié)B透汽化技術(shù)的一個(gè)主要研究方向。本文研制的PVA復(fù)合膜的酒精脫水分離

3、性能，旨在揭示滲透汽化過程該復(fù)合膜的分離性能與過程參數(shù)的關(guān)系，著眼于工業(yè)應(yīng)用，展示該復(fù)合膜長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的分離性能。 1實(shí)驗(yàn)部分 1.1PVA復(fù)合膜的制備以聚丙烯腈(PAN)膜為支撐層，以聚乙烯醇(PVA)為活性層，制成PVA復(fù)合膜。1.2 復(fù)合膜的性能測(cè)試滲透汽化性能測(cè)試采用膜下游抽真空，滲透物以液N2冷凝收集方法。膜有效面積為2.2×10-3m2。除說明外，運(yùn)行溫度31，膜面流速4.2×10-2ms，膜下游壓力7×103Pa-10×103Pa。以不同濃度的酒精為料液，改變操作溫度或膜下游真空度或膜面物料流速，可獲得一定條件下復(fù)合膜的滲透汽化分離性能。滲透

4、通量(J)以單位時(shí)間(h)單位膜面積(m2)透過的滲透物重量(g)表示，料液和滲透物的乙醇濃度(Xe、Ye)用氣相色譜分析方法測(cè)定3。分離因子()的表達(dá)式為：=滲透物中水濃度（Yw）/滲透物中乙醇濃度（Ye）/料液中水濃度(Xw)料液中乙醇濃度(Xe) 2結(jié)果與討論 2.1滲透汽化操作條件的影響2.1.1進(jìn)料濃度的影響 采用已在室溫條件下貯存10.5個(gè)月后并已實(shí)驗(yàn)運(yùn)行38天的4707號(hào)PVAPAN復(fù)合膜，分別測(cè)試膜對(duì)不同濃度料液的分離性能，結(jié)果見圖1。 從圖1可以看出，當(dāng)料液的乙醇濃度增加時(shí)，復(fù)合膜的滲透通量直線下降，但其值均大于400gm2·h，而滲透物中的乙醇在料液恒沸組成濃度時(shí)

5、仍然檢測(cè)不出，直到料液的乙醇濃度大于96wt時(shí)，滲透物中乙醇濃度逐漸增加，但始終小于1.0wt。結(jié)果表明，復(fù)合膜的滲透汽化性能優(yōu)良，顯著地表現(xiàn)在即使料液乙醇濃度大于99wt時(shí)，仍具有較高的滲透通量和優(yōu) 異的選擇分離性能。2.1.2操作溫度的影響采用已在室溫條件下貯存10.5個(gè)月的4706號(hào)復(fù)合膜，在料液的乙醇濃度91.35wt時(shí)，測(cè)定了不同的操作溫度(tf)時(shí)的分離性能，結(jié)果見圖2。 圖2顯示，滲透通量的增加雖然變化幅度不太大，但呈直線上升。而滲透物的乙醇濃度(Cp，e)在35以下操作時(shí)都檢測(cè)不出；高于35，則隨著操作溫度的提高而明顯的增加。這些性能變化符合大多數(shù)滲透汽化選擇分離性能與溫度的關(guān)

6、系4。2.1.3 操作壓力的影響在滲透汽化過程的操作中，膜上游的壓力即使在高達(dá)接近10MPa的壓力范圍內(nèi)，都不會(huì)對(duì)膜的分離性能產(chǎn)生明顯的影響5。因此，本文僅研究過程中膜下游壓力的影響。表1列出了有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 表1  下游壓力對(duì)復(fù)合膜性能的影響（膜號(hào)：4707） 膜下游壓力（Pa)滲透通量（g/m2.h)乙醇濃度（wt%)已運(yùn)行時(shí)間（d）料液滲透液1×10450694.100.0302×10364794.400.06447×10347699.290.271382×10361799.120.14743 表1清楚表明，當(dāng)膜下游壓力減小即真空度提高后

7、，無論是乙醇濃度小于恒沸組成或是高達(dá)99wt以上的料液，復(fù)合膜的滲透通量都有較大增加，而滲透物中乙醇濃度沒有顯著變化，甚至用高濃度的料液運(yùn)行時(shí)，由于真空度的提高，膜的分離率還略有改善。這是由于真空度提高后,組分傳遞的推動(dòng)力即膜兩側(cè)的分壓差增加，滲透通量隨之增加。實(shí)驗(yàn)用的復(fù)合膜是PVA型優(yōu)先透水膜，當(dāng)膜下游壓力降低時(shí)，造成汽相側(cè)膜面由“濕態(tài)”向“干態(tài)”轉(zhuǎn)變，優(yōu)先滲透組分即便是難揮發(fā)物，也會(huì)有非常好的選擇分離性能6。顯然，膜下游壓力為零時(shí)，滲透通量為最大。但在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，設(shè)定一個(gè)盡可能低的經(jīng)濟(jì)可行的操作壓力，如表1所示，對(duì)高濃度乙醇的料液脫水是十分重要的。2.1.4 膜面流速的影響用乙醇濃度為94

8、.10wt的料液，進(jìn)行了4707號(hào)膜面料液不同流速的試驗(yàn)(見圖3)。結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，改變膜面的料液流速，復(fù)合膜的分離因子沒有變化，始終保持了無窮大的水平，但是復(fù)合膜的滲透通量隨著膜面料液流速的增大呈逐漸上升，從圖3可見，到流速(u)為 0.03ms之后，滲透通量呈恒定趨勢(shì)。由此可見，在一定范圍內(nèi)，增大膜面流速是提高復(fù)合膜滲透通量的一個(gè)措施。這是由于在滲透汽化過程中，膜面料液中的組分水優(yōu)先滲透過膜，導(dǎo)致膜面料液 的乙醇濃度遠(yuǎn)高于主體料液，這在高通量的滲透汽化膜時(shí)更為嚴(yán)重。增大膜面流速的效果可減少這種濃差極化層的厚度，強(qiáng)化過程傳質(zhì)，從而獲得了高的滲透通量。對(duì)于使用中等滲透通量(一般指J20

9、0300gm2·h)的膜，大于0.01ms膜面流速的裝置設(shè)計(jì)，則成為一個(gè)成功的滲透汽化工藝1,2。但將上述結(jié)果結(jié)合圖1的結(jié)果考慮，可以認(rèn)為，對(duì)于高通量的滲透汽化膜，工藝設(shè)計(jì)的膜面流速應(yīng)取0.02ms左右，以便更好地發(fā)揮復(fù)合膜的高通量?jī)?yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)中的效益。2.2 長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)復(fù)合膜性能的影響 用膜號(hào)4707、4706分別進(jìn)行了長(zhǎng)期運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2。表2  長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)的膜性能膜號(hào)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間操作溫度（）膜下游壓力（Pa）乙醇濃度（wt%)透通量（g/m2.h)料液滲透物47078小時(shí)257×10394.560.05245.7個(gè)月271×10395.650.0

10、05310470624小時(shí)444×10389.660.126472.3個(gè)月237×10394.560.153388.3個(gè)月271×10395.650.20216復(fù)合膜在開始投入運(yùn)行之前，已在室溫條件下貯存的時(shí)間：4707膜為3.3個(gè)月，4706膜為1.8個(gè)月。表2表明，2個(gè)批號(hào)的PVA復(fù)合膜分別經(jīng)長(zhǎng)達(dá)5.7個(gè)月和8.3個(gè)月的運(yùn)行試驗(yàn)，滲透物中乙醇濃度幾無增加，即分離率沒有明顯變化。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)都未對(duì)操作條件加以調(diào)整控制，表2所示的滲透通量經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，這應(yīng)歸因于操作溫度的降低和膜下游壓力升高的雙重效應(yīng)的影響結(jié)果。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，PVA復(fù)合膜對(duì)醇水溶液的分離性能是穩(wěn)定的，長(zhǎng)期運(yùn)行不會(huì)使膜的分離性能明顯下降，這些膜裝置在生產(chǎn)應(yīng)用中將會(huì)有較長(zhǎng)的使用壽命。  3結(jié)論以PAN為支撐層的PVA復(fù)合膜分離乙醇水溶液，滲透物中檢測(cè)不出乙醇組分，滲透通量達(dá)500gm2·h以上，即使在料液乙醇濃度大于99wt時(shí)，PVA復(fù)合膜仍有較高的滲透通 量和優(yōu)異的選擇分離性能。滲透汽化操作條件(料液濃度、操作溫度、膜下游壓力以及膜面流速)對(duì)復(fù)合膜的分離性能產(chǎn)生影響。高通量的PVAPAN復(fù)合膜分離操作時(shí)要設(shè)定較低的膜下游壓力、較高的膜面流 速，即便在較低的操作溫度(小于36)、大于95