回收合成革行业废水中二甲基甲酰胺的渗透汽化膜的筛选、制备和耦合工艺开发

论文摘要

二甲基甲酰胺（DMF）是一种广泛用于合成革，医药等领域的有机溶剂。其在使用后形成质量分数10%-25%的废水，在排放前需要进行处理并对其中的DMF进行回收。传统的回收方法是精馏，但是存在能耗大的缺陷。作为一种新兴的节能技术，渗透汽化可以用于代替精馏工艺或者与其耦合以达到降低能耗和减小DMF回收成本的目的。三种不同交联度的商品化PVA材质渗透汽化复合膜(HPV-1005、HPV-1015和HPV-1050)和一种NaA分子筛膜被用于分离DMF/H2O混合物。通过考察料液组成，实验温度和膜后侧压力对膜分离性能的影响，筛选出适宜于该分离体系的膜并确定其最佳操作条件。实验结果表明，三种高分子膜中，HPV-1050最适宜于DMF/H2O体系的分离。在DMF质量分数为20%，实验温度为60℃且膜后侧压力小于6kPa的条件下，PVA-1050膜的分离性能最佳。其通量可达0.59kg·m-2·h-1，分离因子为33。对于NaA分子筛膜，DMF质量分数为20%时，最佳的操作条件为实验温度70℃，膜后侧压力小于6kPa，此时渗透通量和分离因子分别为0.41kg·m-2·h-1和19.7。在商品化渗透汽化膜筛选的基础上，以聚乙烯醇（PVA）和丙烯酰胺（AAm）为原料，合成了不同接枝度的PVA接枝PAAm共聚物（PVA-g-PAAm），用粘度法测定了不同接枝度共聚物的粘均分子量。通过接触角方法，红外光谱（FT-IR）和热重分析（TGA）对自制均相膜进行表征。结果表明对PVA的改性是成功的，膜的亲水性，机械性能及热稳定性都得到较大的改善和提高。然后以0.2μm的α-Al2O3为支撑体成功制备出两种PVA-g-PAAm/α-Al2O3渗透汽化复合膜并将其用于DMF/H2O混合体系的渗透汽化分离。考察了料液组成和实验温度对膜分离性能（渗透通量、分离因子）的影响。渗透汽化实验结果表明：接枝度为92%的PVA-2/α-Al2O3的分离性能最好。随着料液中DMF质量分数由5%增加至50%，PVA-2/α-Al2O3的渗透通量由0.71kg·m-2·h-1减小到0.28kg·m-2·h-1。三种膜的分离因子在DMF质量分数为30%时达到最大值。随实验温度增加，膜的渗透通量随之增大，而分离因子都有所减小。最后，应用Aspen Plus软件对渗透汽化-精馏耦合过程进行模拟分析，计算出不同耦合方式的能耗和成本。与单纯的间歇精馏相比，渗透汽化与间歇精馏耦合工艺有很好的节能效果。随着进塔DMF质量分数从30%增加到70%，耦合过程可节能34.5%-60.0%。通过成本计算得出，先渗透汽化浓缩到DMF质量分数为50%后，再进间歇精馏塔进一步精制的总成本最低，可以达到最佳的匹配效果；与单纯的常减压两效精馏相比，不同的渗透汽化和常减压两效精馏耦合工艺的节能效果，随着进塔DMF质量分数从30%增加到70%，耦合过程可节能14.1%-54.4%。通过成本计算得出，先渗透汽化浓缩到含DMF质量分数为60%后，再进常减压两效精馏塔进一步精制的总成本最低，可以达到最佳的匹配效果。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 文献综述
• 1.1 二甲基甲酰胺
• 1.2 二甲基甲酰胺废水传统处理方法
• 1.2.1 生物法
• 1.2.2 物化法
• 1.2.3 化学法
• 1.2.4 精馏法
• 1.3 渗透汽化
• 1.3.1 渗透汽化技术简介
• 1.3.2 渗透汽化膜的性能评价
• 1.3.3 渗透汽化膜的表征方法
• 1.4 渗透汽化膜分离二甲基甲酰胺水溶液体系的研究进展
• 1.5 渗透汽化—精馏耦合技术
• 1.6 研究课题的提出及研究内容
• 2 商品膜的筛选及其最佳操作条件的确定
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 膜材料
• 2.1.2 实验装置和操作
• 2.1.3 样品分析
• 2.2 PVA 高分子膜
• 2.2.1 料液组成对膜性能的影响
• 2.2.2 实验温度对膜性能的影响
• 2.2.3 膜后侧压力对膜性能的影响
• 2.2.4 寿命实验
• 2.3 NaA 分子筛膜
• 2.3.1 料液组成对膜性能的影响
• 2.3.2 实验温度对膜性能的影响
• 2.3.3 膜后侧压力对膜性能的影响
• 2.4 小结
• 2.4.1 商品化高分子膜
• 2.4.2 商品化 NaA 膜
• 2O₃ 复合膜的制备和分离性能'>3 PVA-g-PAAm/α-Al₂O₃复合膜的制备和分离性能
• 3.1 共聚物的合成
• 3.2 膜的制备
• 3.3 聚合物和膜的表征
• 3.4 膜的渗透汽化性能
• 3.4.1 料液组成对膜性能的影响
• 3.4.2 实验温度对膜性能的影响
• 3.4.3 不同膜分离性能的比较
• 3.5 小结
• 4 渗透汽化—精馏耦合技术
• 4.1 耦合流程
• 4.2 精馏计算模型
• 4.2.1 物性模型的选择
• 4.2.2 灵敏度分析模型
• 4.3 耦合技术操作费用和总成本的计算
• 4.3.1 操作费用的计算
• 4.3.2 设备成本计算
• 4.4 模拟结果与分析讨论
• 4.4.1 渗透汽化与间歇精馏耦合工艺结果
• 4.4.2 渗透汽化与常减压精馏耦合模拟实例
• 4.4.3 渗透汽化与常减压两效精馏的模拟计算结果
• 4.5 小结
• 5 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢