渗透蒸发膜分离乙二醇水溶液-mg1124028-黄新.docVIP

PVA渗透蒸发膜分离乙二醇水溶液 高分子物理与化学 MG1124028 黄新 摘要：渗透蒸发以其绿色、高效、节能的突出特点在乙二醇脱水中具有良好的应用前景，渗透蒸发技术的核心是高性能渗透蒸发膜的研制。本论文以聚乙烯醇（PVA）为主体膜材料，调研了PVA分离膜的改性。 关键词：渗透蒸发；乙二醇脱水；聚乙烯醇； 一.渗透蒸发过程简介： 渗透蒸发（pervaporation，简称PV）是膜分离技术的一个新的分支，也是膜分离领域的研究热点之一。渗透蒸发是利用膜对组分的溶解和扩散行为的差异来实现液体组分分离的过程。其过程是（见图1）：液体混合物流过膜的上游侧，同时在膜的下游侧抽真空或吹扫气体使液体组分在膜的两侧形成化学位差，组分在化学位差的推动下透过膜，并以汽相的形式从膜的下游侧逸出。由于膜与不同组分的相互作用大小不同以及组分本身性质上的差异，各组分在高分子膜中的溶解度和扩散速度不同，从而实现选择性分离。 图1. 渗透蒸发过程示意图 在众多解释渗透蒸发传递现象的理论模型中，溶解－扩散理论普遍为人们所接受。该理论将渗透蒸发过程分为三步（如图2）[1]： （1）在原料侧，溶液中各组分在膜的表面溶解； （2）溶解在膜表面的组分在化学位差推动力的作用下，以分子扩散的形式从膜上游侧向下游侧扩散； （3）在膜的下游侧，渗透组分在较低的蒸汽分压下蒸发。 一般认为待分离组分在膜下游侧的解吸对整个传质过程影响不大，受热力学控制的溶解和受动力学控制的扩散是影响渗透蒸发分离过程的决定因素。 图2.渗透蒸发过程传质机理示意图 渗透蒸发技术具有高效、节能、工艺简单、环境友好、不受气液平衡限制等特点，被誉为“绿色技术”。渗透蒸发可以与精馏、吸附等过程耦合改造传统工艺，由此获得巨大的节能效果。因而，渗透蒸发膜分离过程可以广泛用于石油化工、环境化工及相关工业领域进行有机溶剂脱水；从水中脱除有机物（脂肪烃、卤代烃、芳香族化合物：己烷、环己烷，氯甲烷、氯仿、氯乙烯，苯、甲苯、二甲苯、乙苯及醇、酮、酯、醛）；或进行有机－有机混合物的分离（醇－醚类、醇－脂肪烃类,醇－芳香烃类等，苯－环己烷混合物以及二甲苯异构体混合物，环己烷－环己酮－环己醇混合物等）[2-4]。 二.乙二醇生产现状： 乙二醇(Ethylene Glycol，简称EG)是最简单和最重要的脂肪族二元醇，也是重要的有机化工原料，主要用于生产聚酯单体和汽车抗冻剂。全球，特别是东亚和中国聚酯生产的快速发展极大地拉动了世界乙二醇市场。工业化生产乙二醇的方法有环氧乙烷直接水合法，环氧乙烷催化水合法及碳酸乙烯酯法。其中环氧乙烷催化水合法及碳酸乙烯酯法被认为是今后乙二醇最有发展前景的工业化生产方法。国内大型乙二醇的工业化生产早期采用环氧乙烷直接水合法，但该法生产工艺流程长、设备多、能耗高，直接影响到乙二醇的生产成本。自1989年以后逐渐采用环氧乙烷催化水合法，目前国内乙二醇生产工艺全部采用环氧乙烷催化水合法[5,6]。制备高质量乙二醇用于聚酯生产以及从防冻剂中回收乙二醇，乙二醇的脱水是非常必要的。乙二醇脱水的常规方法是经过闪蒸浓缩乙二醇至70-80wt%，继而进入一系列精馏塔除去水份。乙二醇和水在全浓度范围内不形成共沸物，但乙二醇水溶液中液态醇是以缔合状态存在的，而气态醇是以单分子状态存在的，醇从液态变成气态时，除克服分子间的引力外还需要额外的能量去打开分子间氢键，所以乙二醇沸点远高于水的沸点（197℃），因此在含有少量水（20wt%）的情况下用精馏技术进一步脱水则能耗相当高。而渗透蒸发技术不是根据待分离组分相对挥发度的不同而进行分离，而是基于组分在渗透蒸发膜中的溶解和扩散速率不同而达到分离的目的，且在分离过程中仅汽化部分液体，从而大大降低了能耗。因此，用渗透蒸发技术部分用于水含量较低的乙二醇/水混合物分离体现了新的技术发展趋势。图3所示为乙二醇和水的部分物理和热力学性质，乙二醇和水均为强极性物质，但是水溶解度参数中的氢键分量大于乙二醇；乙二醇分子动力学直径较水分子动力学直径大及乙二醇与水偶极距的不同等。这些性质差异构成了乙二醇和水在膜中的溶解及扩散速度的不同，故可采用渗透蒸发膜技术分离乙二醇/水混合物。 图3. 乙二醇和水的物理性质和部分热力学性质 到目前为止，渗透蒸发膜分离技术用于乙二醇/水混合物分离的研究相对较少，所用的膜材料主要为聚乙烯醇（PVA）、壳聚糖（CS）、聚乙烯吡啶（PVP）及亲水改性的磺化聚醚醚酮（SPEEK）等聚合物材料。 三.渗透蒸发膜材料的选择依据: 渗透蒸发膜分离性能不仅与渗透组分本身的性质有关，还与膜材料的化学性质、组成和结构有关，因此膜材料的选择是渗透蒸发过程最关键的一步。由于影响渗透蒸发分离的因素很多，目前尚未建立起完整、系统的选膜理论，膜材料的选择还停留在半理论半经验的阶段，其选择依据