文档介绍：F08 水蒸气在中空纤维膜中渗透行为的研究孙艳慧赵素英·王良恩钟星光孙艳慧水(福州大学化学化工学院福州350002) 摘要:本文以膜法气体脱湿为应用背景,采用在工业上应用较多的聚砜/硅橡胶阻力型复合膜为研究对象,实验测得了水蒸气走丝内和丝外时渗透通量随原料压力的变化情况,实验表明水蒸气在中空纤维膜中的支撑层存在毛细冷凝现象,通过阻力模型计算得到各层阻力分布。关键词:水蒸气,非对称膜,渗透,阻力模型 ,是利用膜两侧的压力差、浓度差、温差、势能差等为推动力来实现分离的一个过程?。目前工业应用的气体分离膜一般为非对称膜或非对称复合膜,因为它以硅橡胶为皮层,满足了高渗透量、高选择性的应用需要。水蒸气是一种极性组分,在聚合物膜中的渗透有其特殊性。因此,研究水蒸气在非对称复合膜中的渗透行为是膜法脱湿过程的基础乜’。研究发现,由于分子问相互作用,聚合物膜中可能存在水分子的成簇迁移、凝聚及对聚合物产生溶胀作用等一些“非常规”的渗透行为,这些行为对水蒸气在膜中的渗透速率产生影响,使水蒸气的渗透速率对操作压力、浓度等条件存在较强的依赖关系∞1。 l一水罐;2一恒温槽;3、6一缓冲罐;4一膜组件; 5一真空压力计:7一真空泵;8一吸收瓶; 图1实验装置‘赵素英,通讯联系人 590 实验装置如图1(以走丝外为例)所示,实验中保持系统高真空,用液氮进行水蒸气冷凝接收。实验中采用的聚砜中空纤维膜组件由大连化物所天邦膜技术中心提供。为了鉴定膜组件的性能,本文首先测定了纯N2、02的渗透系数,测定结果见表l。由表1可见,膜组件0。/N。的分离因子接近文献?报道的本征值,表明膜中基本上不存在缺陷孔。表1聚砜中空纤维膜组件中02和N2的渗透系数 。C下原料水蒸气走丝外和丝内时,水蒸气渗透速率随压力的变化关系,如图2 和图3所示,由图2、图3可知,其渗透速率随压力的增大而增大,其规律与水蒸气在均质聚砜膜中(如图4)的规律类似。比较图2、图3可见,水蒸气走丝内时与丝外相比,在同一压力下的渗透速率要比丝外小一些,这是因为中空纤维丝直径很小,气体在丝内流动阻力较大,而水蒸气渗透速度较快,使得水蒸气在丝内的流动阻力不能忽略。比较图2、图4可见。水蒸气在中空纤维膜中的渗透速率比均质膜中下降了。这是由于水蒸气渗透速率很快,在致密层中的阻力比较小,导致支撑层中的阻力远大于致密层中的阻力,成为渗透过程的主要阻力。_ 笔名将煳蜊媲原料压力kPa 1'4 原料压力kPa 图2水蒸气走丝外,渗透速率随原料气压力变化图3 水蒸气走丝内,渗透速率随原料气压力变化 -04 原料压力kPa 瑚图4聚砜均质膜中水蒸气渗透速率与原料压力的关系图5发生毛细管冷凝与否时的渗透速率与时间关系从图5可以看出,在未发生毛细管冷凝时,渗透速率不随时间变化,当发生毛细管冷凝后, 渗透速率与时间关系杂乱无章。对比可知,水蒸气走丝内时比丝外更早发生了毛细管冷凝,这是因为走丝外时,支撑层中的阻力造成的。 :0/0。的选择性以水蒸气走丝外的渗透为例,选择性a H20,02与原料压力的关系如图6所示。可见,因为氧气的渗透通量是不随原料压力的变化而变化的,而水蒸气由于存在溶胀和成簇迁移等作用,它的渗透速率是随原料压力的升高而不