沈明杰 2111207124渗透汽化膜分离技术介绍及其应用

渗透汽化膜分离技术介绍及其应用
沈明杰
（浙江工业大学药学院，浙江杭州310014）
摘要：膜分离技术是现代化工领域的高新技术，它在解决人类面临的能源、资源、环境等一些重大问题的新技术方面，获得了极为迅速的发展。

渗透汽化膜分离技术作为一种新型的膜分离技术，应用于液体混合物的分离，其突出的优点是能够以低能耗，实现蒸馏、萃取、吸附等传统方法难于完成的分离任务。

关键字：膜分离；渗透汽化；应用
渗透汽化(Pervaporation,简称PV)是以混合物中组分蒸汽压差为推动力，依靠各组分在膜中的溶解与扩散速率不同的性质来实现混合物分离的过程。

渗透汽化装置包括预热器、膜分离器、冷凝器和真空泵等四个主要设备。

料液进入渗透汽化膜分离器后，在膜两侧蒸汽压差的驱动下，扩散快的组分较多透过膜进入膜后侧，经冷凝后达到分离目的。

一、渗透汽化膜分离技术的基本原理
渗透汽化是利用致密高聚物膜按液体混合物中组分的溶解扩散性能不同，来实现其分离的一种膜分离过程，有机混合物原料液经加热器加热到一定温度后，在常压下送入膜分离器与膜接触，在膜的下游侧，用抽真空或载气吹扫的方法维持低压。

这样，渗透物组分在膜两侧的蒸汽分压差(或化学位梯度)的作用下透过膜，并在膜的下游侧汽化，被冷凝成液体而除去。

不能透过膜的截留物流出膜分离器。

因此，渗透汽化过程是依靠不同组分在特定聚合物膜中溶解扩散能力不同，透过速率不同，从而实现不同组分分离的目的。

二、渗透汽化膜分离技术的过程特点
渗透汽化与反渗透、超滤及气体分离等膜分离技术的最大区别在于物料透过膜时将发生相变。

因此必须在操作过程中不断加入至少相当于透过物气化吸收的热量，才能维持一定的操作温度。

它具有以下特点：
1．分离系数大。

针对不同物质的性质，选用适当的膜材料与制膜方法可以制得分
离系数很大的膜，通常可达几十、几百、几千、甚至更高。

因此只用单极膜就可达到很高的分离效果。

2．渗透汽化膜分离虽以组分的蒸汽压差为推动力，但其分离作用不受组分汽－液平衡的限制，而主要受组分在膜内渗透速率的控制。

各组分分子结构和极性等的不同，均可成为其分离依据。

因此，渗透汽化膜分离适合于用精馏方法难以分离的近沸物和恒沸物的分离。

3．过程中不用引入其它试剂，产品不会受到污染。

4．过程简单，附加的处理过程少，操作也比较方便。

5．过程中透过物有相变，但因透过物量一般较少，汽化与随后的冷凝所需能耗不大。

6．渗透通量小，一般小于1000g/m2•h，而选择性高的膜，其通量往往只有100g/m2•h 左右，甚至更低。

7．膜后侧需要抽真空，但通常采用冷凝加抽真空法，需要由真空泵抽出的主要是漏入系统的惰性气体，抽气量不大。

三、渗透汽化适用的分离过程
1．具有一定挥发性的物质的分离（应用渗透汽化法进行分离的先决条件）。

2．从混合液中分离出少量物质。

3．其它分离方法难以分离的物质，比如精馏难以分离的近沸物的分离。

4．恒沸物的分离，当恒沸液中一种组分的含量较小时，可以直接用渗透汽化法得到纯产品。

5．在有水生成的化学反应(如酯化、酰化、脱水环合等)中，与反应过程结合。

利用其分离系数高，单极分离效果好的特点，选择性的移走反应产物，促进化学反应的进行，可有效提高反应转化率。

四、影响渗透汽化过程的因素
1．分离膜材料和结构以及被分离组分的性质
这是影响渗透汽化分离效果的最基本的因素。

对于一定的料液和分离要求而言，最重要的问题是要选择一种适宜的膜材料和膜的结构。

对于同一种物料体系，如果它的组成不同，分离要求不同，也往往需要采用不同的膜。

例如有机物/水体系，有机物中少量水的除去，应采用优先透水的PVA/PAN复合膜，而水中少量有机物的除去，则应采用
优先透有机物的有机硅复合膜。

2．分离所需的的温度
温度影响混合液组分在膜中的溶解度与扩散系数，所以它影响渗透汽化的渗透通量与分离系数。

温度升高，聚合物链节的活动度增加，渗透物分子的活动度也增加，因此渗透物分子在聚合物膜中的扩散系数随温度的升高而增大。

在多数情况下都可以用Arrhenius关系式表示。

因为渗透系数等于扩散系数和溶解度系数的乘积，而扩散系数及溶解度系数随温度的变化都能满足Arrhenius关系，所以温度对渗透通量的影响可以由Arrhenius关系来表征。

由此还可以计算处表观渗透活化能。

温度对分离系数的影响较为复杂，无一定规律可循。

多数情况下，分离系数随着温度的上升而有所下降，即非优先渗透组分随着温度的上升，膜的渗透通量相对于优先渗透组分上升较快。

3．分离组分的料液组成
料液组成的变化直接影响组分在膜面上的溶解度，而组分在膜内的扩散系数与其浓度有关，所以渗透汽化分离性能与料液组成有密切的关系。

因为在膜内组分与聚合物以及组分间的相互作用力的影响，使得另一组分的存在对组分的扩散产生复杂的伴生效应，所以不能根据纯组分的渗透性能简单的按一般的理想情况（即组分的渗透通量与组分的组成成正比）来预测溶液渗透汽化的分离结果，必须通过实验确定。

很多实验指出，实际渗透通量比按理想情况的估算值大，分离系数比理想估算值小，但也有文献报道，实际渗透通量比理想估算值效小。

通常，随着料液中优先渗透组分浓度的提高，总渗透通量增大，但组成对分离系数的影响往往出现比较复杂的情况。

4．渗透膜膜两侧压力的影响
膜两侧压力的影响主要体现为对渗透汽化推动力的影响。

料液侧压力增加对料液的蒸汽压影响不大，对料液在膜中的溶解度影响不大，所以对渗透汽化的分离性能影响不大。

但是提高料液压力却有一系列不利的因素，所以一般料液侧只保持为克服料液流过膜组件的阻力所必需的压头。

但对易挥发液体，为了提高料液温度，可以适当提高压力。

渗透汽化过程受上游侧压力的影响不大，只有当上游侧压力超过1MPa时才有明显的影响。

所以，上游侧通常维持常压。

下游侧压力的变化对分离过程有明显的影响。

通常，随着下游侧压力的增加渗透通量下降，而料液中易挥发组分在渗透物中的浓度增加，即当优先渗透组分为易挥发组分时，分离系数上升；当优先渗透组分为难挥发组分时，分离系数下降。

5．浓差极化及温度梯度的影响
在渗透汽化过程中，由于传质速率较低，浓差极化较小，所以它的影响可以忽略不计。

在料液蒸发过程中，膜内将产生温差。

6．渗透膜厚度的影响
随着膜厚度的影响，传质阻力加大，因此渗透通量将降低。

但渗透通量的数值与膜厚度的数值并不是正好成反比。

在实际渗透过程中，膜厚度增加一倍，渗透通量降低不到50％。

这是因为膜的一部分处于干区，其厚度的增加不影响传质；只有增加处于溶胀区的膜的厚度才会增加传质阻力，因而引起渗透通量下降。

分离系数与膜厚度无关。

这是因为整个膜厚度改变时，起分离作用的活性致密层保持不变的缘故。

五、渗透汽化的应用
（一）、有机溶剂脱水
目前有机物水溶液的分离主要采用精馏、萃取和吸附等方法。

这些方法都有自身的特点与局限性，在某些情况下使用会出现种种问题，采用渗透汽化有可能克服这些问题，取得很好的效果。

适用于渗透汽化法进行有机物脱水的具体对象很多，主要有以下两方面的应用。

1．恒沸物的分离
恒沸物分离是渗透汽化最能发挥其优势的领域。

用渗透汽化进行恒沸液的分离可以分为两种情况。

一种是用渗透汽化法分离，直接制得产品，主要用于含水量较少得恒沸液。

例如工业乙醇脱水制备无水乙醇。

另一种情况是使用渗透汽化法将恒沸液分离为两个偏离恒沸组成的产物，然后再用一般精馏或其他方法进行分离，这种方法可称为恒沸液的分割。

2．非恒沸液的分离
可以把有机物与水的混合物分为互溶与部分互溶二类。

一般说，对于部分互溶体系，水在有机物种的溶解度小，化学位高，与互溶体系比较，在水含量相同的条件下，渗透汽化的推动力大，水的渗透通量高。

所以，有机物中水的溶解度愈小，则该有机物脱水后其中的含量可以更小。

通常用渗透汽化法脱水，根据有机物脱水中水的溶解度的大小，其中水含量可降至几十到几百mg/L。

对于水在其中溶解度很小的有机物，水含量可降至几个mg/L，但需要很低的压力、较大的真空泵和较大的膜面积。

使用渗透汽化脱水的经济性与原料中的水含量有关，一般说料液中水含量在0.1％～10％时，采用渗透汽化比
较经济，水含量高，采用精馏或萃取可能比较经济，而含水量很低时，可能吸附更具有竞争力。

使用渗透汽化脱水的经济性还与水和有机物的沸点高低有关。

如果有机物的沸点比水低，相对说用渗透汽化比用精馏更有利。

因为用粗馏法分离有机物中少量水时，大量低沸点的有机物需从精馏塔顶蒸出，而渗透汽化过程中是把少量沸点较高的水直接从有机物中分离出来。

（二）、水中有机物的脱除
用渗透汽化法脱除水中有机物的技术开发比较晚一些。

到目前为止，对各种有机物的除去，包括醇、酸、酯、芳香族化合物、氯化碳氢化合物等已经进行了广泛研究，试验过各种材料，其中最常用的膜材料是硅橡胶。

用渗透汽化法脱除水中有机物的经济性与水中有机物的含量和有机物本身的情况有关。

一般说，与其他各种分离与处理方法比较，水中有机物含量在0.1％～5％之间时用渗透汽化法比较好。

浓度更高时，目前常用的蒸馏、蒸汽汽提等方法可能在经济上更有利。

有机物浓度过低，渗透汽化的推动力小，渗透通量小，膜面积大，膜组件的投资大。

此时，一般把它作为废液处理，采用吸附或生物处理法可能在经济上更合理。

用渗透汽化法从水中分离有机物主要可以分为以下四种类型：（1）从发酵液中提取有机物（2）酒类饮料中除去乙醇（3）废水处理和污染的地下水处理（4）溶剂回收。

（三）、有机/有机混合物的分离
由于分离过程的条件比较苛刻，这是目前渗透汽化技术应用开发最少的领域。

如果膜和组件的稳定性得以解决，它将成为21世纪重要的膜应用技术。

用渗透汽化法进行有机物混合液分离主要是近沸物与恒沸物的分离。

因为对于这些体系采用常用的精馏法，需要庞大的设备，很大的能耗，或者需要应用外加的恒沸剂或萃取剂，过程复杂，且易致产品与环境污染。

如果近沸物与恒沸液中二种组分的含量相差较大时，应用渗透汽化，采用优先透过少量组分的膜，一级分离即可达到较完全的分离效果，这时渗透汽化具有明显的竞争力。

当恒沸物中二组分的含量接近时，采用渗透汽化与精馏的联合过程是很经济的。

对于近沸物，当二组分含量相当时，要将二组分完全分开，必须采用有回流的多级操作，这时应用渗透汽化通常是不经济的。

因为渗透汽化通量小，多级操作所需膜面积大，透过物需在低压和较低温度下多次冷凝，冷凝系统投资与操作费用大。

所以这种情况下只有在膜分离系数和渗透通量都很大时，渗透汽化才可能有竞争力。

迄今已研究的有重要工业意义的体系主要有以下几类：⑴醇/醚混合物的
分离⑵芳烃与脂肪烃的分离⑶同分异构物的分离⑷环己酮、环己醇与环己烷的分离⑸脂肪烃/脂肪烃的分离（指烯烃/烷烃，正烷烃与异烷烃以及卤代烃混合物等的分离）。

六、渗透汽化分离的总结与展望
渗透汽化分离是一种正在发展中的新技术，要使其在工业上广泛应用，在膜与膜组件的研制等方面还需进行大量的研究与开发工作。

首先是高效膜的研制，要针对分离物系的物理化学特性，采用适当的膜材料与制膜方法，制取渗透系数高、渗透通量大的膜。

膜的耐热与耐溶剂的稳定性是另一个重要的研究目标，提高膜的耐热性，使其能在较高的温度下操作是提高膜的渗透通量的重要途径，也是渗透汽化用膜的一个主要研究方向。

降低膜的造价，对于渗透汽化的实际应用具有重要意义。

目前渗透汽化主要使用不锈钢制的板框式膜组件，造价高，投资大。

这是影响渗透汽化推广使用的一个不利因素。

改进板框结构，采用廉价的材料和开发紧凑、高效的卷式与中空纤维式膜组件，降低膜组件的造价，将促进渗透汽化过程的工业应用。

渗透汽化的突出优点是分离系数高和不受汽—液平衡的限制，因而它在用精馏方法难以分离的恒沸物与近沸物的分离中将具有广阔的应用前景。

就分离对象而言，用渗透汽化法分离有机混合液将是很有发展前途的方面。

渗透汽化的缺点是渗透通量小和渗透物在低压下冷凝，因而它一般适用于从混合液中分离出少量物质，不宜采用多级操作。

所以它通常要与其他分离过程联合使用才能获得最好的经济效果。

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