PVA復(fù)合膜的滲透汽化性能研究(I)

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1、PVA復(fù)合膜的滲透汽化性能研究(I)PVA復(fù)合膜的滲透汽化性能研究(I)　　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(PVA／PAN)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。我們設(shè)計開發(fā)成功的首臺滲透汽化中試裝置采用的是以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)的一個主要研究方向。本文研制的PVA復(fù)合膜的酒精脫水分離性能，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)合膜長期運(yùn)行時的分離性能?！　　VA復(fù)合膜的制備以聚丙烯腈(PAN)膜為支撐層

2、，以聚乙烯醇(PVA)為活性層，制成PVA復(fù)合膜。　　復(fù)合膜的性能測試滲透汽化性能測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×10-3m2。除說明外，運(yùn)行溫度31℃，膜面流速×10-2m／s，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。滲透通量(J)以單位時間(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定。分離因子(α)的表達(dá)式為：α=［滲透物中水濃度/滲透物中乙醇濃度］/［料液中水濃

3、度(Xw)／料液中乙醇濃度(Xe)］　　　滲透汽化操作條件的影響　進(jìn)料濃度的影響采用已在室溫條件下貯存?zhèn)€月后并已實(shí)驗(yàn)運(yùn)行38天的4707號PVA／PAN復(fù)合膜，分別測試膜對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，復(fù)合膜的滲透通量直線下降，但其值均大于400g／m2·h，而滲透物中的乙醇在料液恒沸組成濃度時仍然檢測不出，直到料液的乙醇濃度大于96wt％時，滲透物中乙醇濃度逐漸增加，但始終小于％。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，仍具有較高的滲透通量和優(yōu)異的選擇分離性能?！　　〔僮鳒囟鹊挠绊懖捎靡?/p>

4、在室溫條件下貯存?zhèn)€月的4706號復(fù)合膜，在料液的乙醇濃度％時，測定了不同的操作溫度(tf)時的分離性能，結(jié)果見圖2?！　D2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℃以下操作時都檢測不出；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)系?！　〔僮鲏毫Φ挠绊懺跐B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)，都不會對膜的分離性能產(chǎn)生明顯的影響。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?！　”?清楚表明，當(dāng)膜下游壓力減小即真空度提高后，

5、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，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，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，也會有非常好的選擇分離性能。顯然，膜下游壓力為零時，滲透通量為最大。但在生產(chǎn)運(yùn)行時，設(shè)定一個盡可能低的經(jīng)濟(jì)可行的操作壓力，如表1所示，對高濃度乙醇的料液脫水是十分重要的?！　　∧っ媪魉俚挠绊懹靡掖?/p>

6、濃度為％的料液，進(jìn)行了4707號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／s之后，滲透通量呈恒定趨勢。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。對于使用中等滲透通量(一般指J

7、＝200～300g／m2·h)的膜，大于／s膜面流速的裝置設(shè)計，則成為一個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，對于高通量的滲透汽化膜，工藝設(shè)計的膜面流速應(yīng)?。痵左右，以便更好地發(fā)揮復(fù)合膜的高通量優(yōu)點(diǎn)在生產(chǎn)中的效益。　　長期運(yùn)行對復(fù)合膜性能的影響用膜號4707、4706分別進(jìn)行了長期運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2?！　?fù)合膜在開始投入運(yùn)行之前，已在室溫條件下貯存的時間：4707膜為個月，4706膜為個月?！　”?表明，2個批號的PVA復(fù)合膜分別經(jīng)長達(dá)個月和個月的運(yùn)行試驗(yàn)，滲透物中