醇脱水中空纤维渗透汽化膜及组件的研究

论文摘要

渗透汽化膜分离技术具有设备简单、低能耗、无污染等优点,现已成功地应用于醇类化合物的脱水,水中易挥发有机物的脱除,特别是有望用于恒沸、近沸及同分异构有机混合物的分离,成为替代耗能的蒸馏的第三代膜技术。当前,日益加剧的能源危机为渗透汽化膜分离的工业化推广应用增加了一个契机,因此,如要打破目前渗透汽化膜品种单一,并获得较大规模推广应用的局面,制备出性能优异的渗透汽化膜及其膜组件就变得尤为重要。本文以醇类有机物脱水为研究目标,主要开展有关中空纤维渗透汽化透水复合膜及其组件研制。 本文首先用粘度法、红外光谱法（FTIR）和扫描电镜法研究了聚乙烯醇（PVA）与海藻酸钠（SA）共混相容性范围。PVA和SA共混比、交联剂种类和交联剂用量以及膜厚度对膜分离性能有显著的影响,试验结果表明,共混膜中PVA比例升高,膜的渗透通量上升,分离因子下降;不同交联剂交联的膜有不同的分离性能,采用马来酸酐交联的膜,其渗透通量可高达1400g/m2.h,有较好的渗透通量;而用戊二醛交联的膜分离因子最高可达到3250,有较好的分离选择性;对同一种交联剂,随着交联剂（马来酸酐）含量的增加,膜的分离因子增大,而渗透通量降低。FTIR分析表明,用马来酸酐为交联剂,成膜过程中海藻酸钠和聚乙烯醇的-OH同马来酸酐的酸酐基团发生了酯化反应。通过试验,还获得制备优良性能渗透汽化复合膜的制膜条件。 其次,用干湿相转化法制备了聚偏氟乙烯中空纤维基膜,考察了聚偏氟乙烯含量、致孔添加剂种类、纺丝速度、内凝胶浴流速和挤出速度对膜结构的影响,得到优良结构中空纤维的制膜条件。进而分别以商用聚砜、聚丙烯腈和自制的聚偏氟乙烯膜为基膜,研制中空纤维复合膜,考察了不同支撑层对膜分离性能的影响,为渗透汽化支撑层的筛选与研制提供依据。还对比了板框式同中空纤维式膜组件的分离性能,在膜面积相等的基础上,发现中空纤维膜组件有较好的分离选择性,而板框式膜组件有较好的渗透通量。 用优化的制膜条件制得了聚乙烯醇与海藻酸钠共混中空纤维复合膜,分别对乙醇、异丙醇、正丁醇、叔丁醇等有机物进行渗透汽化脱水试验,研究了料液浓度、操作温度、料液流速等操作条件对膜分离效果的影响,用基团贡献法

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 渗透汽化概述
• 1.1.1 渗透汽化过程基本原理
• 1.1.2 渗透汽化膜过程传质机理
• 1.2 渗透汽化技术的发展历史
• 1.3 有机物脱水研究进展
• 1.3.1 膜材料与分离膜
• 1.3.1.1 聚乙烯醇膜及其改性膜
• 1.3.1.2 聚电解质膜
• 1.3.1.3 新膜材料
• 1.3.2 渗透汽化膜组件的研究
• 1.3.3 中空纤维渗透汽化膜的研究现状
• 1.3.3.1 中空纤维渗透汽化膜研究进展
• 1.3.3.2 中空纤维渗透汽化膜支撑层研究
• 1.3.3.3 中空纤维复合膜的制备方法
• 1.3.3.4 中空纤维渗透汽化的工业放大应用研究
• 1.3.3.5 中空纤维渗透汽化膜传质特性的研究进展
• 1.3.3.6 中空纤维渗透汽化膜器开发的难点
• 1.4 课题提出
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 课题提出
• 1.4.3 本文研究内容
• 1.4.3.1 分离层制膜条件的优化
• 1.4.3.2 支撑层膜材料的制备和性能比较
• 1.4.3.3 不同醇体系脱水
• 1.4.3.4 中空纤维渗透汽化脱水放大效应
• 1.4.3.5 中空纤维膜组件设计
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 膜材料、试剂及仪器设备
• 2.1.1 主要材料及试剂
• 2.1.2 主要分析仪器及设备
• 2.2 膜的制备
• 2.2.1 支撑膜的制备
• 2.2.2 复合膜制备出现缺陷的情况
• 2.2.3 涂膜液制备
• 2.2.4 复合膜的制备
• 2.2.4.1 平板复合膜的制备
• 2.2.4.2 中空纤维复合膜的制备
• 2.2.5 膜交联后处理
• 2.3 膜的表征
• 2.3.1 扫描电镜
• 2.3.2 红外吸收光谱测试
• 2.3.3 中空纤维膜的最大孔径和水通量测试
• 2.4 渗透汽化膜组件封装
• 2.5 膜渗透汽化性能测试
• 2.6 分析方法
• 2.6.1 进料液及透过液的分析
• 2.6.2 浓度校正
• 第三章 PVA-SA共混中空纤维复合膜的渗透汽化性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 PVA-SA共混溶液粘度的测定
• 3.2.2 共混膜红外表征
• 3.2.3 聚丙烯酰胺／蒙脱土聚合物制备
• 3.2.4 渗透汽化膜的制备
• 3.2.5 复合膜的交联
• 3.2.6 扫描电镜分析
• 3.2.7 膜的渗透汽化性能
• 3.3.结果与讨论
• 3.3.1 共混溶液的粘度
• 3.3.2 共混膜FT-IR研究
• 3.3.3 共混膜的扫描电镜分析
• 3.4 中空纤维复合膜制膜条件的优化
• 3.4.1 PVA-SA共混中空纤维复合膜共混比对渗透汽化性能的影响
• 3.4.2 交联对膜分离性能的影响
• 3.4.2.1 交联剂种类的影响
• 3.4.2.2 交联剂浓度的影响
• 3.4.2.3 马来酸酐交联PVA-SA的机理
• 3.4.3 化学交联和填充纳米粒子的膜性能比较
• 3.4.4 复合膜致密层厚度对膜性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 中空纤维支撑层对膜分离性能的影响
• 4.1 前言
• 4.2 试验部分
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 中空纤维膜制备示意图
• 4.2.3 中空纤维膜的制备和表征
• 4.2.4 中空纤维复合膜的制备与性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 聚合物浓度对膜结构影响
• 4.3.2 不同致孔添加剂对膜结构的影响
• 4.3.3 纺丝工艺参数对膜结构的影响
• 4.3.3.1 纺丝速度对膜外径的影响
• 4.3.3.2 内凝胶浴流速对膜内径的影响
• 4.3.3.3 纺丝过程中的中空纤维膜的卷缩问题
• 4.3.4 支撑层对分离性能的影响
• 4.3.5 中空纤维膜组件和平板式膜组件分离性能比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 操作条件对不同醇体系脱水试验研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 PVA-SA共混膜在醇水溶液中的特性粘数的测定
• 5.2.3 膜分离性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 料液浓度的影响
• 5.3.2 操作温度的影响
• 5.3.3 料液流速的影响
• 5.3.4 复合膜的稳定性的考察
• 5.3.5 醇间歇脱水的试验
• 5.4 本章小结
• 第六章 中空纤维渗透汽化膜有机物脱水放大效应研究
• 6.1 前言
• 6.2 试验部分
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 中空纤维膜组件制备
• 6.2.2.1 中空纤维复合膜制备
• 6.2.2.2 膜和膜组件的制备
• 6.2.3 膜分离性能测试
• 6.2.3.1 膜分离性能测试装置图
• 6.2.3.2 醇回收率计算
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 不同膜面积膜组件脱水试验
• 6.3.1.1 小组件脱水试验
• 6.3.1.2 中型膜组件脱水试验
• 6.3.1.3 大组件脱水试验
• 6.3.2 不同膜面积组件分离因子和渗透通量
• 6.3.3 不同膜面积通量与操作温度间关系
• 6.3.4 通量模型预测
• 6.3.4.1 不同温度下间歇脱水试验
• 6.3.4.2 渗透通量模型及其关联式
• 6.3.3 操作温度与回收率间关系
• 6.4 本章结论
• 第七章 中空纤维渗透汽化膜组件的传质模型
• 7.1 引言
• 7.2 中空纤维渗透汽化膜组件数学模型的建立
• 7.2.1 渗透汽化溶解扩散模型
• 7.2.2 实验部分
• 7.2.3 中空纤维渗透汽化膜组件传质模型
• 7.2.3.1 料液侧微分方程推导
• 7.2.3.2 渗透侧微分方程
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 模型参数
• 7.3.2 模拟计算结果
• 7.3.2.1 组成沿轴向的变化
• 7.3.2.2 料液温度沿轴向的变化
• 7.3.2.3 料液流速沿着轴向方向变化
• 7.3.2.4 渗透侧压力沿轴向的变化
• 7.3.2.5 渗透侧蒸汽流速变化
• 7.3.2.6 渗透侧水的组成变化
• 7.3.2.7 渗透通量沿轴向变化
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与建议
• 8.1 全文结论
• 8.2 本论文创新点
• 8.3 建议
• 参考文献
• 符号表
• 附录Ⅰ
• 附录Ⅱ
• 攻读博士学位期间所发表的相关论文
• 致谢