第八章 渗透汽化膜技术.pptVIP

第八章 渗透蒸发 渗透蒸发又称渗透汽化,是有相变的膜渗透过程。膜上游物料为液体混合物,下游透过侧为蒸气,为此,分离过程中必须提供一定热量,以促进过程进行。正因为这一过程是由permation(渗透)和evaporation (蒸发)等两个过程所组成,所以合并二词的头尾而被称为pervaporation”,简称PV(渗透蒸发或渗透气化)。 渗透蒸发过程具有能量利用效率高、选择性高、装置紧凑、操作和控制简便、规模灵活可变等优点。对某些用常规分离方法能耗和成本非常高的分离体系,特别是近沸、共沸混合物的分离,渗透蒸发过程常可发挥它的优势。 (1)基本原理 渗透蒸发分离的原理如图所示。即在膜的上游连续输入经过加热的液体,而在膜的下游以真空泵抽吸造成负压,从而使特定的液体组分不断变作蒸气透过分离膜,然后,再将此蒸气冷凝成液体而得以从原液体中分离出去。 渗透蒸发分离物质的过程示意参见下图。由图可见,经由上述①~③的分离机制而到达膜的另一侧,变为蒸气组分,被进一步冷凝后, 将浓缩成90%的产品。 (2)渗透蒸发过程分类 根据膜两侧蒸气压差形成方法的不同,渗透蒸发可以分为以下几类: ① 真空渗透蒸发 膜透过侧用真空泵抽真空,以造成膜两侧组分的蒸气压差,如图(a)。 (3)渗透蒸发膜及膜材料 渗透蒸发过程用膜与气体分离膜类似,主要使用非对称膜和复合膜。在筛选渗透蒸发膜材料时,应考虑以下问题： ①、优先透过组分的性质 在渗透蒸发中应以含量少的组分为优先透过组分,根据透过组分的性质选用膜材料。 一般可分三种情况： I、有机溶液中少量水的脱除,可用亲水性聚合物; II、水溶液中少量有机质的脱除,可用弹性体聚合物; ②、膜与组分的相互作用 组分在高分子膜中的溶解情况可以用它们之间溶解度参数的差值表示, 溶解度参数差值小,表示组分与膜分子类似,互溶度大。两组分与膜的溶解度参数差值大,表示膜对两组分的溶解度的差别大。不少材料符合此规律, 因此,它可以作为一种选择膜材料的依据。 膜的结晶度、塑化程度以及膜和渗透组分间的相互作用对组分的扩散系数有影响。液体组分在高分子膜中使膜的结构松弛,扩散系数增大,特别是渗透组分对膜有溶胀作用时更为显著,因此,扩散系数也随组分浓度的增加而增大。 ③、膜材料的化学和热稳定性 渗透蒸发分离的物料大多含有机溶剂,特别是分离有机混合物体系,因此,膜材料应抗各种有机溶剂侵蚀。 渗透蒸发过程大多在加温下进行,以提高组分在膜内的扩散速率,尽量弥补渗透蒸发膜通量小的不足,因此,膜材料要有一定热稳定性。 膜分离性能的强化可通过两个途径,膜结构的改进和膜材料的改性。 ① 膜结构改进 进行材料筛选时大多将聚合物制成致密均质膜,这种膜通量很小。实际应用的渗透蒸发膜多为复合膜,它的通量比致密均质膜大得多。 ② 膜材料改性 A、交联 交联可以三种方法进行。第一种是通过化学反应在两聚合物链间联接上一化合物,这类交联绝大多数是以过氧化物为引发剂的自由基反应;第二种为光照射交联;第三种为物理交联。 B、接枝 通过化学反应或光照射等把某些齐聚物链节作为支链接到聚合物主链上。如果接枝的分子中含功能团,它能与聚合物中的功能团相反应,则可用化学反应进行接枝。聚乙烯、聚四氟乙烯之类通过熔压法制的薄膜可用光照射接校进行改性。 C、引人电荷 在聚合物中导入带正、负电荷的离子可使聚合物具有亲水性。通过反离子选择可控制膜的选择性和渗透通量。这种膜的缺点是反离子易流失,因此性能不稳定,需经常再生。常用的荷电基团有-COO-、-SO3-、-NH+、-NR3+。 D、共混 将具有不同性质的聚合物共混,以使膜具有需要的特性。但共混的聚合物在同一溶剂中必须相容,即在配成制膜液时必须为均相。 (4) 影响渗透蒸发过程的因素 ① 温度 组分在膜中的扩散系数、溶解度及渗透率随温度的升高而增加。温度对分离系数(选择性)的影响不大,一般温度升高,选择性有所下降,但也有温度升高,选择性升高的情况。 ② 压力 液相侧的压力对液体在高分子膜中的溶解度影响不大,故对渗透汽化过程的影响不大,所以通常液相侧均为常压。 膜下游侧压力(真空度)是一个重要的操作参数。当膜下游真空侧压力升高时,过程的传质推动力(组分的蒸气压差)变小,从而使得组分的渗透通量降低。 ③ 液体中易渗透组分的浓度