膜分离技术处理有机废气-20150318

膜分离技术处理有机废气

1.技术介绍及应用领域

膜分离是以选择性透过膜为分离介质，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种新型分离技术。目前，膜分离纯化技术包括微滤、超滤、反渗透、纳滤、气体分离、渗透气化、电渗析等等。与传统分离技术相比，膜技术分离过程具有如下特点：无相变、高效、节能、无污染、工艺简单、常温操作，因此已经广泛应用于水处理、石油化工、冶金、环境保护、生物及食品工业、纺织、医药等诸多领域。

该法是一种新型高效分离技术，装置的中心部分为膜元件，常用的膜元件为平板膜、中空纤维膜和卷式膜，又可分为气体分离膜和液体分离膜等。气体膜分离技术利用有机蒸气与空气透过膜的能力不同，使二者分开。该法已成功地应用于许多领域，用其它方法难以回收的有机物，用该法可有效地解决。用该法回收有机废气中的丙酮、四氢呋喃、甲醇、乙腈、甲苯等(浓度为50%以下)，回收率可达97%以上。膜分离法最适合于处理VOCs浓度较高的物流，对大多数间歇过程，因温度、压力、流量和VOCs浓度会在一定范围内变化，所以要求回收设备有较强的适应性，膜系统正能满足这一要求。

近几年来，国外的实验室研究分离VOCs使用得最多的膜分离材料是聚二甲基硅氧烷PDMS。它从结构上看属半无机、半有机结构的

高分子，具有许多独特性能，是目前发现的气体渗透性能好的高分子膜材料之一。研究人员大多是采用聚枫PS、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚间苯二甲酸乙二酯PEI等材料作为支撑层，使用PDMS涂层堵孔，作为选择性分离层，选择性分离VOCs/N2或空气体系，都取得了理想的实验结果。目前，我国采用膜分离法回收VOCs的工作刚刚开始研究，离实现工业化应用还有一段距离。

现在世界上已有近60套膜分离VOCs的装置。在美国大部分装置用来回收CFCs、HCFCs、氯乙烯等高价值产品：在欧洲和日本主要从石油运输操作中，回收碳氢化合物。

用膜法几乎可以用来回收各种高沸点的挥发有机物，如三苯、丁烷以上的烷烃、氯化有机物、氟氯碳氢化合物、酮、酯等，可用于各种行业，如PVC加工中回收VCM，聚烯烃装置中回收乙烯、丙烯单体；制冷设备、气雾剂及泡沫生产中产生的CFCs和HCFCs的回收，印刷中产生的甲苯等的回收。

膜分离方法适合于处理较浓的物流，即0.1％＜VOC浓度＜10％，膜系统的费用与进口流速成正比，与浓度则关系不大。它适于高浓度、高价值的有机物回收，其设备费用较高。

工业上已经从聚烯烃装置的冲洗气中回收烯烃单体和氦气。在环保领域，从加油站回收碳氢化合物；从制冷设备、气雾剂及泡沫塑料的生产和使用过程中回收CFC，从PVC加工中回收氯乙烯单体。此技术非常有前途，随着新高效膜的出现和系统造价的降低，它会成为一种重要的回收手段。

该法已成功地应用于许多领域，用其它方法难以回收的有机物，用该法可有效地解决。国外现有数10套工业装置，并已运行多年，如聚氯乙烯生产中氯乙烯单体的回收，聚烯烃生产中已烷的回收，喷漆过程中HCFC-123的回收，医院消毒中CFC-12和环氧乙烷等的回收，致冷设备(如电冰箱、空调等)及气雾剂、泡沫塑料等产品在生产或使用过程中排放的CFCs和HCFC的回收。采用该法回收有机废气中的丙酮、四氢吠喃、甲醇、乙腈、甲苯等(浓度为50%以下)，回收率可达97%以上。

2.技术原理及特点

膜分离技术的基础就是使用对有机物具有渗透选择性的聚合物复合膜。该膜对有机蒸气较空气更易于渗透10-100倍。当废气与膜材料表面接触时，有机物可以透过膜，从废气中分离出来。为保证过程的进行，在膜的进料侧使用压缩机或渗透侧使用真空泵，使膜的两侧形成压力差，达到膜渗透所需的推动力。

2.1 膜材料和组件

分离膜是由涂层和支撑层组成的复合膜，涂层提供分离性能，而多孔支撑层提供机械强度。

涂层材料一般均为具有高度选择性的聚二甲基硅烷，该层决定膜

的分离性能，而支撑层也对膜的性能有重要影响。常用的支撑层材料为：聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚偏氟乙烯。

目前提供VOCs分离膜的厂家—MTR和Nitto提供卷式膜，GKSS 提供板式膜。卷式膜更紧凑和更经济，可大大地降低设备费用：而板式膜可以提供很好的流动分布和降低渗透侧压力降。96年，MTR的研究开发取得了突破，可以生产大的膜管，直径8英寸，单根膜管面积达20m2，使系统处理能力大大地提高，有足够的能力在大型工业装置上使用。

气体分离膜组件常见的有平板式、螺旋卷式和中空纤维式三种。

1）平板式膜组件的优点是制造组装比较简单，操作比较方便，膜的维护、清洗、更换比较容易；缺点是制造成本较高，当膜面积增大时，对膜的机械强度要求较高。平板式膜组件的填充率较低，不如中空纤维式和卷式分离器结构紧凑，因而在气体分离中应用较少。

2）螺旋卷式膜组件也由平板膜制成，它是将制作好的平板膜密封成信封状膜袋，在两个膜袋之间衬以网状间隔材料，然后用一根带有小孔的多孔管卷绕依次放置的多层膜袋，形成膜卷；最后将膜卷装入圆筒形压力容器中，形成一个完整的螺旋卷式膜组件。使用时，高压侧原料气从一端进入膜组件，沿轴向流过膜袋的外表面，渗透组分沿径向透过膜并经多孔中心管流出膜组件。为提高螺旋卷式膜组件的收率，实际使用中常常将多个膜组件安装在同一个耐压容器中，如下图：

3）中空纤维膜组件常使用外压式的操作模式，即纤维外侧走原料气，渗透气从纤维外向纤维内渗透，并沿纤维内侧流出膜组件。根据原料气与渗透气相对流向不同，操作模式又分为逆流流型和错流流型。在逆流流型中，原料气与渗透气流动方向相反；而在径向错流分离器中，原料气首先沿径向流动，流动方向与中空纤维膜垂直。2.2 膜分离系统

最简单的膜分离过程为单级膜分离系统，直接压缩废气体并使其通过膜表面，来实现VOCs的分离：但因为分离程度很低，故单级很难达到分离要求。

MTR开发了一种新型的集成膜分离系统，该技术结合压缩冷凝和膜单元两种技术的特点来实现分离。

首先，用压缩机先将有机废气提高到一定压力。压缩的有机废气进入冷凝器被冷却，部分VOCs冷凝下来，直接进到储罐，以用来循环和再用。离开冷凝器的非凝气体仍具有一定的压力，用做膜渗透的驱动力，使膜分离不再需要附加的动力；该非凝压缩气中，仍含有相