第十章 滲透汽化(PV)

1、2022-2-16第第 十十 章章2022-2-1621. 滲透汽化滲透汽化(Pervaporation)的概念的概念滲透汽化（或滲透蒸發(fā)或全蒸發(fā)）滲透汽化（或滲透蒸發(fā)或全蒸發(fā)）是指液體混合物是指液體混合物在膜的一側(cè)與膜接觸時(shí)，其中在膜的一側(cè)與膜接觸時(shí)，其中易透過組分易透過組分較多地溶較多地溶解在膜上，并擴(kuò)散通過膜，在膜的另一側(cè)氣化而被解在膜上，并擴(kuò)散通過膜，在膜的另一側(cè)氣化而被抽出，從而達(dá)到分離的膜過程。正因?yàn)檫@一過程是抽出，從而達(dá)到分離的膜過程。正因?yàn)檫@一過程是由由“permation”(滲透滲透)和和“evaporation”(蒸發(fā)蒸發(fā))等兩等兩個(gè)過程所組成，所以合并二詞的頭尾而被稱為個(gè)

2、過程所組成，所以合并二詞的頭尾而被稱為“pervaporation”，簡稱，簡稱PV。32. 滲透汽化的分類滲透汽化的分類I.減壓滲透汽化減壓滲透汽化II. 加熱滲透汽化加熱滲透汽化III. 吹掃滲透汽化吹掃滲透汽化IV. 冷凝滲透汽化冷凝滲透汽化45671.最大特點(diǎn)是最大特點(diǎn)是單級選擇性好單級選擇性好。從理論上說，。從理論上說，PV分離分離的程度無極限，適合的程度無極限，適合分離沸點(diǎn)相近的物質(zhì)分離沸點(diǎn)相近的物質(zhì)，尤其，尤其適于適于恒沸物的分離恒沸物的分離。對于回收含量少的溶劑也不。對于回收含量少的溶劑也不失為一種好方法；失為一種好方法；2.由于由于PV過程中過程中有相變有相變發(fā)生，所以發(fā)生，

3、所以能耗較高能耗較高；3.PV過程的過程的操作簡單操作簡單，易于掌握；，易于掌握；4.在操作過程中，進(jìn)料側(cè)原則上不需加壓，所以不在操作過程中，進(jìn)料側(cè)原則上不需加壓，所以不會(huì)導(dǎo)致膜的壓密，透過率也不會(huì)隨時(shí)間的延長而會(huì)導(dǎo)致膜的壓密，透過率也不會(huì)隨時(shí)間的延長而減?。粶p??；3. 滲透汽化（滲透汽化（PV）的特點(diǎn)）的特點(diǎn)85.與與RO等過程相比，等過程相比，PV的通量要小得多，一般在的通量要小得多，一般在2000g/m2h以下，而具有高選擇性的則更小。以下，而具有高選擇性的則更小。 PV過程與過程與RO、UF及及GS等膜分離方法的最等膜分離方法的最大區(qū)別在于，前者的組分透過膜時(shí)，將產(chǎn)生相大區(qū)別在于，前者

4、的組分透過膜時(shí)，將產(chǎn)生相變。變。9滲透汽化適用的分離過程滲透汽化適用的分離過程 具有一定揮發(fā)性的物質(zhì)的分離具有一定揮發(fā)性的物質(zhì)的分離(先決條件先決條件); 從混合液中分離出少量物質(zhì)從混合液中分離出少量物質(zhì); 恒沸物的分離恒沸物的分離; 精餾難以分離的精餾難以分離的沸點(diǎn)相近物質(zhì)的分離沸點(diǎn)相近物質(zhì)的分離; 與反應(yīng)過程結(jié)合與反應(yīng)過程結(jié)合.10PV過程原理示意圖過程原理示意圖其分離機(jī)理可分為其分離機(jī)理可分為3步：步：(溶解溶解擴(kuò)散擴(kuò)散模型模型)被分離的物質(zhì)在膜表面被分離的物質(zhì)在膜表面上有選擇地被吸附并被上有選擇地被吸附并被溶解；溶解；通過擴(kuò)散在膜內(nèi)滲透；通過擴(kuò)散在膜內(nèi)滲透；在膜的另一側(cè)變成氣相在膜的另

5、一側(cè)變成氣相脫附而與膜分離。脫附而與膜分離。4. 滲透汽化滲透汽化(PV)的原理的原理11下游抽真空或惰氣吹掃滲透汽化過程示意圖下游抽真空或惰氣吹掃滲透汽化過程示意圖1213Cross-section of a composite membrane145. 滲透汽化過程傳遞機(jī)理滲透汽化過程傳遞機(jī)理1。溶解溶解擴(kuò)散模型擴(kuò)散模型 料液中組分吸收進(jìn)入膜料液測表面；料液中組分吸收進(jìn)入膜料液測表面； 組分?jǐn)U散透過膜；組分?jǐn)U散透過膜； 從下游側(cè)表面解吸進(jìn)入氣相。從下游側(cè)表面解吸進(jìn)入氣相。2?？琢髂Ｐ涂琢髂Ｐ?液體組分通過孔道傳輸?shù)侥?nèi)某處的液液體組分通過孔道傳輸?shù)侥?nèi)某處的液氣相界氣相界面；面； 組分在液

6、組分在液氣相界面處蒸發(fā)；氣相界面處蒸發(fā)； 氣體從界面片沿孔道傳輸出去。氣體從界面片沿孔道傳輸出去。156. 影響滲透汽化過程的因素影響滲透汽化過程的因素膜材料及其結(jié)構(gòu)，被分離組分的性質(zhì)膜材料及其結(jié)構(gòu)，被分離組分的性質(zhì)溫度溫度料液組成料液組成上、下游壓力上、下游壓力濃差極化及溫度梯度濃差極化及溫度梯度膜厚度膜厚度167. 滲透汽化膜滲透汽化膜滲透汽化膜材料的選擇滲透汽化膜材料的選擇必須遵循幾個(gè)原則必須遵循幾個(gè)原則A. Flory-Huggins相互作用參數(shù)相互作用參數(shù)B. 溶解度參數(shù)理論溶解度參數(shù)理論 組分與聚合物的溶解度參數(shù)之矢量組分與聚合物的溶解度參數(shù)之矢量差小，則組分與聚合物間的親和力大，

7、組分在聚合物中差小，則組分與聚合物間的親和力大，組分在聚合物中的溶解量大的溶解量大。C. 極性相似和溶劑化原則極性相似和溶劑化原則D. 定性的親憎水平衡理論定性的親憎水平衡理論17膜材料選擇性的預(yù)測膜材料選擇性的預(yù)測 溶解度參數(shù)溶解度參數(shù) 聚合物的親水性、疏水性聚合物的親水性、疏水性 如，如，親水性聚合物親水性聚合物能優(yōu)先透過水，是脫水膜最好的候選材料。能優(yōu)先透過水，是脫水膜最好的候選材料。 彈性體聚合物與玻璃態(tài)聚合物彈性體聚合物與玻璃態(tài)聚合物 彈性體材料通彈性體材料通常優(yōu)先吸附有機(jī)溶劑，是從水中脫除有機(jī)溶劑常優(yōu)先吸附有機(jī)溶劑，是從水中脫除有機(jī)溶劑滲透汽化膜最好的候選材料。滲透汽化膜最好的候選

8、材料。18滲透汽化膜滲透汽化膜1。優(yōu)先透水膜優(yōu)先透水膜 非離子型聚合物膜非離子型聚合物膜 如如PVA 離子型聚合物膜離子型聚合物膜 將親水基團(tuán)引入疏水膜中的透水膜將親水基團(tuán)引入疏水膜中的透水膜 聚電解質(zhì)透水膜聚電解質(zhì)透水膜2。優(yōu)先透過有機(jī)物膜優(yōu)先透過有機(jī)物膜 有機(jī)硅聚合物有機(jī)硅聚合物 含氟聚合物含氟聚合物 纖維素衍生物纖維素衍生物193。有機(jī)物分離膜有機(jī)物分離膜 醇醇/醚醚分離膜分離膜 芳烴芳烴/烷烴烷烴分離膜分離膜 同分異構(gòu)體同分異構(gòu)體分離膜分離膜 芳烴芳烴/醇類醇類分離膜分離膜208. 8. 滲透汽化的應(yīng)用滲透汽化的應(yīng)用1. 有機(jī)溶劑脫水有機(jī)溶劑脫水 這是這是PV過程研究最多，產(chǎn)業(yè)化最早，

9、過程研究最多，產(chǎn)業(yè)化最早，應(yīng)用最普遍，技術(shù)最成熟的領(lǐng)域。無水乙醇的生產(chǎn)、異應(yīng)用最普遍，技術(shù)最成熟的領(lǐng)域。無水乙醇的生產(chǎn)、異丙醇的脫水濃縮、苯中微量水的脫除、碳六溶劑中微量丙醇的脫水濃縮、苯中微量水的脫除、碳六溶劑中微量水的脫除。水的脫除。一般采用親水性的聚乙烯醇一般采用親水性的聚乙烯醇(PVA)為分離層，聚丙烯腈為分離層，聚丙烯腈(PAN)多孔膜為支撐層的多孔膜為支撐層的PVA/PAN復(fù)合膜。復(fù)合膜。從國際上已投產(chǎn)的從國際上已投產(chǎn)的PV工業(yè)裝置的運(yùn)行結(jié)果表明，與傳統(tǒng)工業(yè)裝置的運(yùn)行結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的恒沸蒸餾和萃取精餾相比，采用的恒沸蒸餾和萃取精餾相比，采用PV技術(shù)生產(chǎn)無水乙醇，技術(shù)生產(chǎn)無水乙醇，

10、可使能耗大大降低，僅為蒸餾法的可使能耗大大降低，僅為蒸餾法的1/2 1/3，整個(gè)生產(chǎn)裝，整個(gè)生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的40%80%。21Glycol/water separation process乙二醇乙二醇/水水22Dehydration of Ethylene Dichloride (EDC)1,2-二氯乙烷二氯乙烷 23Photograph of a 50-m2 GFT plate-and-frame module and an ethanol dehydration system fitted with this type of module.

11、24The use of permeate vapor fractional condensation systems to improve the separation achieved in pervaporation of dilute ethanol solutions25Integrated distillationpervaporation plant for ethanol recovery from fermentors2. 水中脫除有機(jī)物水中脫除有機(jī)物 PV法進(jìn)行水中有機(jī)物的脫除及回收，法進(jìn)行水中有機(jī)物的脫除及回收，20世紀(jì)世紀(jì)90年代初期實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，比有機(jī)溶劑脫水約晚年

12、代初期實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，比有機(jī)溶劑脫水約晚10年的時(shí)間。已經(jīng)開發(fā)出包括硅橡膠膜在內(nèi)的多種膜材料，其年的時(shí)間。已經(jīng)開發(fā)出包括硅橡膠膜在內(nèi)的多種膜材料，其中用于脂肪烴、鹵化烴、芳香族化合物（如環(huán)已烷、已烷、中用于脂肪烴、鹵化烴、芳香族化合物（如環(huán)已烷、已烷、氯甲烷、氯仿、氯乙烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等）的分氯甲烷、氯仿、氯乙烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等）的分離因子為離因子為2001 000；用于醇、酮、酯、醛的分離因子為；用于醇、酮、酯、醛的分離因子為20200；用于脫除甲醇、乙醇、乙醛的為；用于脫除甲醇、乙醇、乙醛的為520。目前，用目前，用PV技術(shù)提取或脫除有機(jī)物的主要應(yīng)用有：技術(shù)提取或脫除有

13、機(jī)物的主要應(yīng)用有：1）從廢從廢水中去除有機(jī)污染物，如酚、苯、各種有機(jī)酸、酯、鹵代烴水中去除有機(jī)污染物，如酚、苯、各種有機(jī)酸、酯、鹵代烴等；等；2）從酒類飲料中回收乙醇；從酒類飲料中回收乙醇；3）從果汁、飲料中回收芳從果汁、飲料中回收芳香物質(zhì)，包括酯類、醛類和一些烴類。香物質(zhì)，包括酯類、醛類和一些烴類。滲透汽化的應(yīng)用滲透汽化的應(yīng)用( (續(xù)續(xù)) )27Once-through pervaporation system design. This design is most suitable for removal of VOCs with modest separation factors for which concentration polarization is not a problem2829Methods of integrating pervaporation membranes in the recovery of methanol from the MTBE produ