PVA復(fù)合膜的滲透汽化性能研究(I)

1、PVA復(fù)合膜的浸透汽化性能研究(I)摘要：本文研究了以PAN膜為支撐層的PVA復(fù)合膜別離醇水溶液的性能。著眼于工業(yè)應(yīng)用，提醒了浸透汽化操作條件對別離性能的影響，展示了長期運(yùn)行時(shí)的別離性能。結(jié)果說明，PVA復(fù)合膜具有高浸透通量(J500g2h)和優(yōu)異別離率，長期運(yùn)行(大于8個月)性能穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：PVA復(fù)合膜浸透汽化酒精脫水別離性能崛起于液體別離領(lǐng)域的浸透汽化膜過程，正是由于運(yùn)用了聚乙烯醇聚丙烯腈(PVAPAN)復(fù)合膜，才于80年代初首先在酒精脫水的工業(yè)消費(fèi)中得到成功應(yīng)用。我們設(shè)計(jì)開發(fā)成功的首臺浸透汽化中試裝置1，2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、高浸透通量的PVA復(fù)合膜

2、是開展浸透汽化技術(shù)的一個主要研究方向。本文研制的PVA復(fù)合膜的酒精脫水別離性能，旨在提醒浸透汽化過程該復(fù)合膜的別離性能與過程參數(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(shí)的別離性能。1實(shí)驗(yàn)局部1.1PVA復(fù)合膜的制備以聚丙烯腈(PAN)膜為支撐層，以聚乙烯醇(PVA)為活性層，制成PVA復(fù)合膜。1.2復(fù)合膜的性能測試浸透汽化性能測試采用膜下游抽真空，浸透物以液N2冷凝搜集方法。膜有效面積為2.210-32。除說明外，運(yùn)行溫度31，膜面流速4.210-2s，膜下游壓力7103Pa-10103Pa。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)合膜的浸透汽

3、化別離性能。浸透通量(J)以單位時(shí)間(h)單位膜面積(2)透過的浸透物重量(g)表示，料液和浸透物的乙醇濃度(Xe、Ye)用氣相色譜分析方法測定3。別離因子()的表達(dá)式為：=浸透物中水濃度Y/浸透物中乙醇濃度Ye/料液中水濃度(X)料液中乙醇濃度(Xe)2結(jié)果與討論2.1浸透汽化操作條件的影響2.1.1進(jìn)料濃度的影響采用已在室溫條件下貯存10.5個月后并已實(shí)驗(yàn)運(yùn)行38天的4707號PVAPAN復(fù)合膜，分別測試膜對不同濃度料液的別離性能，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(shí)，復(fù)合膜的浸透通量直線下降，但其值均大于400g2h，而浸透物中的乙醇在料液恒沸組成濃度時(shí)仍然檢測不出，直到料

4、液的乙醇濃度大于96t時(shí)，浸透物中乙醇濃度逐漸增加，但始終小于1.0t。結(jié)果說明，復(fù)合膜的浸透汽化性能優(yōu)良，顯著地表如今即使料液乙醇濃度大于99t時(shí)，仍具有較高的浸透通量和優(yōu)異的選擇別離性能。2.1.2操作溫度的影響采用已在室溫條件下貯存10.5個月的4706號復(fù)合膜，在料液的乙醇濃度91.35t時(shí)，測定了不同的操作溫度(tf)時(shí)的別離性能，結(jié)果見圖2。圖2顯示，浸透通量的增加雖然變化幅度不太大，但呈直線上升。而浸透物的乙醇濃度(p，e)在35以下操作時(shí)都檢測不出；高于35，那么隨著操作溫度的進(jìn)步而明顯的增加。這些性能變化符合大多數(shù)浸透汽化選擇別離性能與溫度的關(guān)系4。2.1.3操作壓力的影響在

5、浸透汽化過程的操作中，膜上游的壓力即使在高達(dá)接近10Pa的壓力范圍內(nèi)，都不會對膜的別離性能產(chǎn)生明顯的影響5。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。表1下游壓力對復(fù)合膜性能的影響膜號：4707膜下游壓力Pa)浸透通量g/2.h)乙醇濃度t%)已運(yùn)行時(shí)間d料液浸透液110450694.100.030210364794.400.0644710347699.290.27138210361799.120.14743表1清楚說明，當(dāng)膜下游壓力減小即真空度進(jìn)步后，無論是乙醇濃度小于恒沸組成或是高達(dá)99t以上的料液，復(fù)合膜的浸透通量都有較大增加，而浸透物中乙醇濃度沒有顯著變化，甚至用

6、高濃度的料液運(yùn)行時(shí)，由于真空度的進(jìn)步，膜的別離率還略有改善。這是由于真空度進(jìn)步后,組分傳遞的推動力即膜兩側(cè)的分壓差增加，浸透通量隨之增加。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(shí)，造成汽相側(cè)膜面由“濕態(tài)向“干態(tài)轉(zhuǎn)變，優(yōu)先浸透組分即便是難揮發(fā)物，也會有非常好的選擇別離性能6。顯然，膜下游壓力為零時(shí)，浸透通量為最大。但在消費(fèi)運(yùn)行時(shí)，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非常重要的。2.1.4膜面流速的影響用乙醇濃度為94.10t的料液，進(jìn)展了4707號膜面料液不同流速的試驗(yàn)(見圖3)。結(jié)果說明，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，改變膜面的料液流速，復(fù)合膜的別離因子沒有

7、變化，始終保持了無窮大的程度，但是復(fù)合膜的浸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0.03s之后，浸透通量呈恒定趨勢。由此可見，在一定范圍內(nèi)，增大膜面流速是進(jìn)步復(fù)合膜浸透通量的一個措施。這是由于在浸透汽化過程中，膜面料液中的組分水優(yōu)先浸透過膜，導(dǎo)致膜面料液的乙醇濃度遠(yuǎn)高于主體料液，這在高通量的浸透汽化膜時(shí)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)，從而獲得了高的浸透通量。對于使用中等浸透通量(一般指J200300g2h)的膜，大于0.01s膜面流速的裝置設(shè)計(jì)，那么成為一個成功的浸透汽化工藝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

8、于高通量的浸透汽化膜，工藝設(shè)計(jì)的膜面流速應(yīng)取0.02s左右，以便更好地發(fā)揮復(fù)合膜的高通量優(yōu)點(diǎn)在消費(fèi)中的效益。2.2長期運(yùn)行對復(fù)合膜性能的影響用膜號4707、4706分別進(jìn)展了長期運(yùn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表2。表2長期運(yùn)行時(shí)的膜性能膜號累計(jì)運(yùn)行時(shí)間操作溫度膜下游壓力Pa乙醇濃度t%)透通量g/2.h)料液浸透物47078小時(shí)25710394.560.05245.7個月27110395.650.005310470624小時(shí)44410389.660.126472.3個月23710394.560.153388.3個月27110395.650.20216復(fù)合膜在開場投入運(yùn)行之前，已在室溫條件下貯存的時(shí)間：470

9、7膜為3.3個月，4706膜為1.8個月。表2說明，2個批號的PVA復(fù)合膜分別經(jīng)長達(dá)5.7個月和8.3個月的運(yùn)行試驗(yàn)，浸透物中乙醇濃度幾無增加，即別離率沒有明顯變化。由于實(shí)驗(yàn)測試時(shí)都未對操作條件加以調(diào)整控制，表2所示的浸透通量經(jīng)長期運(yùn)行時(shí)間的延長而下降，這應(yīng)歸因于操作溫度的降低和膜下游壓力升高的雙重效應(yīng)的影響結(jié)果。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，PVA復(fù)合膜對醇水溶液的別離性能是穩(wěn)定的，長期運(yùn)行不會使膜的別離性能明顯下降，這些膜裝置在消費(fèi)應(yīng)用中將會有較長的使用壽命。3結(jié)論以PAN為支撐層的PVA復(fù)合膜別離乙醇水溶液，浸透物中檢測不出乙醇組分，浸透通量達(dá)500g2h以上，即使在料液乙醇濃度大于99t時(shí)

10、，PVA復(fù)合膜仍有較高的浸透通量和優(yōu)異的選擇別離性能。浸透汽化操作條件(料液濃度、操作溫度、膜下游壓力以及膜面流速)對復(fù)合膜的別離性能產(chǎn)生影響。高通量的PVAPAN復(fù)合膜別離操作時(shí)要設(shè)定較低的膜下游壓力、較高的膜面流速，即便在較低的操作溫度(小于36)、大于95t乙醇濃度的料液運(yùn)行時(shí)，仍然保持高浸透通量和優(yōu)異別離率的顯著特點(diǎn)。這些參數(shù)對于裝置、工藝的設(shè)計(jì)開發(fā)是極其重要的。PVA復(fù)合膜長期(大于8個月)運(yùn)行性能穩(wěn)定，說明在醇水溶液別離過程所研制的復(fù)合膜的使用壽命較長。該復(fù)合膜在實(shí)際應(yīng)用中將具有明顯的消費(fèi)效益。參考文獻(xiàn)1aiBangxia，ZhuhangluandLiue，aterTreatent，1995，3：1952062蔡邦肖，朱長樂，劉茉娥，化學(xué)工業(yè)與工程，1996，13(1)：14203蔡邦肖，水處理技術(shù)，1996，22(5)：2824JNeel，Intrdutintpervapratin