滲透蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

1、滲透蒸發(fā)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 MG0424120 羅瑩滲透蒸發(fā)（pervaporation,簡稱PV）是一種新型的膜分離技術(shù)。其分離過程不受氣液平衡的限制，對于使用傳統(tǒng)分離技術(shù)能耗高，或費用高的分離體系，特別是近沸，恒沸體系，有其自身的優(yōu)越性。對特定的分離任務(wù)，滲透蒸發(fā)與傳統(tǒng)的分離方法相比還有能耗低、分離效果好、操作簡單，不污染產(chǎn)品以及裝置易于放大等優(yōu)點。滲透蒸發(fā)與其他分離技術(shù)如精餾、萃取、吸收、結(jié)晶等互相耦合時，更顯示出其極大的生命力。所以近20年來受到世界各國學(xué)者的高度重視并獲得極大的進展，應(yīng)用于諸多領(lǐng)域中。一. 滲透蒸發(fā)基本原理所謂滲透蒸發(fā)，是指被分離物通過膜時，在膜兩側(cè)組分的蒸氣分壓差作用

2、下，液體混合物部分地蒸發(fā)，從而達(dá)到分離目的的一種膜分離方法其原理如圖滲透蒸發(fā)膜液相氣相液體混合物滲余物質(zhì)真空泵氣相透過物液相透過物冷卻介質(zhì)滲透蒸發(fā)技術(shù)不同于常規(guī)的膜分離技術(shù)，它在滲透過程中將產(chǎn)生由液相到氣相的轉(zhuǎn)變，相變的產(chǎn)生是由于透過產(chǎn)品在膜的下游側(cè)的分壓低于其飽和蒸氣壓。其分離機制為：(1)被分離物質(zhì)在膜的進料側(cè)有選擇的吸附在膜表面(2)以擴散的形式在膜內(nèi)滲透；(3)在膜的另一側(cè)，變?yōu)闅庀嗯c膜分離開。氣相由真空泵抽取，經(jīng)冷凝器冷凝成液體被收集。評價滲透蒸發(fā)過程的兩個基本參數(shù)是滲透通量J和分離因子，以二元物系為例，可分別表示如下： 式中，下標(biāo)A,B分別表示易滲透組分，難滲透組分;為分離因子，反

3、映膜的選擇性；J為滲透通量，g/( m2·h); yA,yB分別為滲透液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù); xA,xB分別為原料液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w為滲透液質(zhì)量, g; t為取樣時間, h; A為膜的有限面積, m2滲透蒸發(fā)技術(shù)的優(yōu)點為：（1)單級選擇性好，適合分離近沸點、恒沸點的混合物，適合回收含量少的物質(zhì)；(2)滲透蒸發(fā)過程簡單，易于掌握；(3)在操作過程中，進料側(cè)不加壓，透過率不會隨時間的增長而減小，膜的壽命長。缺點是滲透通量較小。 二. 滲透蒸發(fā)研究近況滲透蒸發(fā)膜的性能優(yōu)劣是滲透蒸發(fā)技術(shù)能否工業(yè)化的關(guān)鍵。滲透蒸發(fā)膜應(yīng)具有良好的選擇性和滲透性。在應(yīng)用過程中，膜的選擇由被分離物質(zhì)決定。分離不溶于水的有

4、機分子，如果汁中的芳香物質(zhì)采用疏水膜；分離水或其它親水性成分采用親水膜。Pv過程主要使用復(fù)合膜。復(fù)合膜的復(fù)合層是起分離作用的活性層，需根據(jù)持分離組分的性質(zhì)選用適當(dāng)?shù)膹?fù)合層材料。 目前所使用的親水膜主要有兩大類。一類是由多糖構(gòu)成的天然高分子膜，如按甲基纖維素(CMC)，藻朊酸（AGA)和殼聚糖(CS)。另一類是合成高分子膜，如聚乙烯醇(PV)。以下簡單介紹這幾種透水膜的分離性能。 （1)羧甲基纖維素(CMC) 是陰離子聚合物，是纖維素的單元結(jié)構(gòu)葡萄糖殘基中羥基被羧甲基取代的產(chǎn)物，親水基因是CH2COOH。羧甲基的取代度是影響CMC的滲透蒸發(fā)性能的主要因素之一。(2)藻朊酸(AGA) 也是陰離子聚

5、合物，是從天然梅藻中提取的。它是由D甘露糖醛酸和L古洛糖醛酸組成的一種天然多糖物質(zhì)，親水基因是一C00H。Uragami等人和Mochizuki等人對AGA的PV透水性能研究表明，堿性藻朊酸鹽對水具有非常高的滲透選擇性。 (3)殼聚糖 是由天然多糖甲殼素制得的脫乙酰的陽離子聚合物，親水基因是NH2。不同的脫乙酰度，其Pv透水性能差別很大。 (4)聚乙烯醇(PVA) 具有非離子親水基因團oH，故對水有很強的親和力，表現(xiàn)出高的滲透選擇性。PVA由聚醋酸乙烯水解得到，不同的水解度其性能差別很大。疏水膜主要用于水中VOCs的分離，疏水膜最通用的膜材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS)， 除了PDMS外，還有

6、其他許多的膜材料可以應(yīng)用于水中V()Cs的脫除。聚氨基甲酸酯(PUR)膜也用于水中苯酚的脫除，PUR聚合物的鏈結(jié)構(gòu)中不僅包含有利于有機物擴散的柔性鏈段也包含了提供機械強度的剛性鏈段。聚偏二氟乙烯(PVDF)是一結(jié)晶性的聚合物。所以具有很好的機械性能，它曾被用于水中苯的分離。乙烯一丙烯一二烯烴三元共聚物(EPDM)也已被用于水中甲苯、二氯甲烷的脫除試驗。 另外的用于水中V()Cs分離的膜材料，如丁苯橡膠(SBR)、丁脂橡膠(NBR)、聚辛二烯、聚苯咪唑酮(PBL)、聚二苯氧基膦晴(PP()P)、聚醚一聚酰胺嵌段共聚物(PEBA)、聚乙烯及輻射改性聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯與丙烯酸正丁酯接枝共聚

7、物(HDPEgBA)等等也有過報道 三.滲透蒸發(fā)分離技術(shù)應(yīng)用概況滲透蒸發(fā)技術(shù)由于具有驚人的單級高分離度，因而具有良好的應(yīng)用前景。首先在二元恒沸有機溶劑的分離、異丙醇的脫水濃縮、無水乙醇的生產(chǎn)：等方面實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用；目前，正在研究滲透蒸發(fā)技術(shù)在食品工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，取得了很好的進展；下面介紹幾項應(yīng)用研究3.1 回收果計中的芳香物質(zhì) 瑞典Lund大學(xué)的Hans OE Karlsson等人曾研究用Pv法回收蘋果汁中的芳香物質(zhì)。蘋果汁中的香味物質(zhì)包含大約300種揮發(fā)性物質(zhì)其濃度大約為200PPM、主要是i酯類、醇類(主要是乙醇)和醛類物質(zhì)。通常以香味的闡值末評價香味物質(zhì)。所渭香味的閾值就是香味能被感覺

8、到的最低的香味物質(zhì)溶液的濃度(溶劑為水)。酯類和醛類具有很低的閾值，是蘋果汁香凍的重要成分。Hans OE Kylss011等人用PV法做了系列試驗結(jié)果表明， 使用PDM5PTl00、PDMSPEI、PDMSPVDF這三種滲透蒸發(fā)膜能很好的回收蘋果汁風(fēng)味的主要成分物質(zhì)。美國Illinolis大學(xué)的NRajagopalan試驗用Pv法回收葡萄汁中的香味物質(zhì)（Methylanth ranilate)取得了很好的效果且研究了操作條件的影響。 可見，采用滲透蒸發(fā)技術(shù)回收果汁中的芳香物質(zhì)具有很好的應(yīng)用前景。3.2 分離乳制品的香味物質(zhì) 法國的Arnaud Baudot等人曾研完了兩種乳制品的香昧物質(zhì)Da

9、icetyl丁二酮)和SMethylthiobutanoatc的分離，丁二酮具有黃油的味道，存在于消毒牛乳、酸乳酪等產(chǎn)品中，是生產(chǎn)人選黃油或其它脂肪產(chǎn)品的主要風(fēng)味添加劑，由乳峻混合發(fā)酵制取。但丁二酮在乳酸發(fā)酵液中濃度根低(30一170mg/kg)， 而且具有自我抑制性，制取的效率很低。目前研究將滲透蒸發(fā)技術(shù)與發(fā)酵結(jié)合起來。實驗用PDMSl070膜，將發(fā)酵產(chǎn)生的丁二酮不斷與發(fā)酵液分離，增加了丁二酮的產(chǎn)率，提高了品質(zhì)。SMety1thiobutanoate居于硫酯(Thiocster)家族，具有很強的烹調(diào)花榔菜的味道，也是一種風(fēng)昧添加劑，實驗用PEBA40膜將其與發(fā)酵液分離，同樣取得了很好的效果。

10、3.3處理廢水 Zenon Envirnmental公司研制出十字流滲透蒸發(fā)系統(tǒng)該系統(tǒng)能去除廢水中的揮發(fā)性有機化臺物VOCs)、去除率高達(dá)9999。VOCs借助真空通過滲透蒸發(fā)膜，經(jīng)冷凝成為液體，可降低揮發(fā)性物質(zhì)的排放。3.4 制取低度酒 Hartmut Brueschke等人曾研究利用PV技術(shù)降低啤酒、白酒午的酒精含量。酒精和酒中的芳香物質(zhì)通過滲透蒸發(fā)膜成為蒸汽。在030和05mBar50MBar的條件下，酒精被冷凝下來，可除去。而芳香物質(zhì)經(jīng)多級冷凝成為液體，與降低了酒精含量的酒相混合，保證了酒的風(fēng)味。這樣處理過的酒具有豐富的酒味，而且酒精含量并不高，是很有前途的一種產(chǎn)品。3.5 應(yīng)用于蔬菜

11、工工業(yè) 日前研究用PV技術(shù)去除蔬菜加工中經(jīng)漂白處理后所產(chǎn)生的廢水中的臭味，即含硫化臺物。這樣能同時達(dá)到兩個目的：(1)從環(huán)保角度看，去除了廢水中的臭味；(2)從經(jīng)濟角度看，回收了有價值的揮發(fā)性的物質(zhì)。四.結(jié)束語隨著對滲透蒸發(fā)膜性能的不斷研究，及對滲透蒸發(fā)分離條件的不斷實驗總結(jié)，滲透蒸發(fā)膜分離技術(shù)作為種有效的分離技術(shù)，經(jīng)過不斷發(fā)展、完善，將會在分離工業(yè)領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。五，參考文獻(xiàn)1， 幾種新型膜分離技術(shù)及其在食品工業(yè)中的運用 李英杰 廣州食品工業(yè)科技2， 膜技術(shù)在廢水處理中的運用 譚平華3， 滲透蒸發(fā)脫除水中揮發(fā)性有機物的研究進展 田秀枝4， 無水乙醇制備新工藝 王蒞5， 譚淑娟，肖澤儀，李磊，武法文，徐志宏，張志炳. 精細(xì)化工，2003, 20（2）：696，A new integrated membrane process for producing clari®ed apple juice and apple juice aroma concentrate Journal of Food Engineering 46 (2000) 109±1257，Scale-up of pervaporation for the recovery of natural aroma compou