文档介绍：渗透汽化膜分离技术的进展及应用
摘要: 综述了渗透汽化膜传递理论研究的现状, 分析了各种模型的特点, 并就渗透汽化膜传递理论的研究方向提出了建议。叙述了渗透汽化过程的新进展,并着重介绍了它在石化中的四方面应用,即(1) 有机溶剂及混合溶剂的脱水;(2) 废水处理及溶剂回收;(3) 有机混合物的分离;(4) 化学反应过程中溶剂的脱水。
关键词: 渗透汽化;传递理论;模型;膜组件;脱水膜
前言
渗透汽化(Pervaporation, 简称PV ) 是用于液体混合物分离的一种新型膜技术。自80年代以来, 渗透汽化技术得到了很大的发展, 目前世界范围内有100 多套工业装置。然而, 渗透汽化膜分离的机理由于涉及到渗透物和膜的结构和性质, 渗透物组分之间、渗透物与膜之间复杂的相互作用, 涉及到化学、化工、材料、非晶态物理、统计学等学科的交叉, 研究工作的难度较大, 认识也不够深入。也提出了几种描述渗透汽化膜传递机理的模型, 其中主要有溶解扩散膜型和孔流模型[1]。膜技术作为一种高新技术,近30 多年来获得了极为迅速的发展,已在石油化工、海运、冶金、电子、轻工、纺织、食品、医疗卫生、生化制药、环保、航天等领域内广泛应用,形成了独立的新兴技术产业。据专家断言:“今后,谁掌握了膜技术,谁就掌握了石油化工技术的未来”。
1 渗透汽化过程传递机理
溶解扩散模型
溶解扩散模型认为PV 传质过程分为三步: 渗透物小分子在进料侧膜面溶解(吸
附) ; 在活度梯度的作用下扩散过膜; 在透过侧膜面解吸(汽化)。
在PV 的典型操作条件下, 第三步速度很快, 对整个传质过程影响不大。而第一步的溶解过程和第二步的扩散过程不仅取决于高聚物膜的性质和状态, 还和渗透物分子的性质、渗透物分子之间及渗透物分子和高聚物材料之间的相互作用密切相关。因而溶解扩散模型最终归结到对第一步和第二步, 即渗透物小分子在膜中的溶解过程和扩散过程的描述。一般研究者都认为PV 过程的溶解过程达到了平衡[2]。对于这种考虑, 可以通过Henry 定律(对渗透物小分子和膜材料之间无相互作用力的理想情形) 或双方吸收模型(对渗透物小分子和膜材料之间存在较弱相互作用力的情形) 或Flory-Huggins 模型(对渗透物小分子和膜材料之间存在较强相互作用力的情形) 计算得到渗透物小分子在膜表面的溶解度。近年来,Doong 等考虑到组分在膜中混合焓变、自由体积焓变、相互作用焓变和弹性焓变对总溶解焓变的影响, 提出了一个更为复杂的计算进料侧膜面组份活度的方法。
但实验发现, PV 过程的溶解过程并非总能达到平衡, 而是取决于溶解速度和扩散速度的相对大小[3]。余立新等通过实验发现了非平衡溶解过程的存在, 并提出了非平衡溶解扩散模型
, 引入包含溶解速度系数的准数来表征溶解过程达到平衡的程度, 数学处理上用串联阻力模型进行计算。但总体上讲, 人们对溶解过程的研究和考虑还不够深入。
扩散过程基本上分为两类, 即正常扩散(Fick 型扩散) 和反常扩散(非Fick 型扩散)。PV过程中渗透物小分子在膜中的扩散大多数属于反常扩散。研究者通常的做法是用各种理论和经验关联式关联扩散系数和渗透物小分子物性、高聚物大分子物性、操作条件等因素的关系。具体思路有三类。
孔流模型
Matsuura 等