渗透蒸发

文献讲解
2. 实验
⑴ 材料 PEBA(2533型)树脂是由80%聚氧化四亚甲基和20%的尼龙12组成，由 Arkema公司提供
⑵ 膜制备 涂覆技术：PEBA溶解在N,N-二甲基乙酰胺制成15wt%均一溶液，静 止至少1天后，涂覆在玻璃片上置于70℃烘箱内干燥1天，最后在 50℃的真空烘箱内干燥24小时，得到约30um厚的膜。
第2章 渗透蒸发膜材料
§2.2 优先透有机物膜
通常选用极性低、表面能小和溶解度参数小的聚合物，如聚乙烯、 聚丙烯、有机硅聚合物、含氟聚合物等。
（1）有机硅聚合物 *憎水、耐热性能好和很高的机械强度及化学稳定性 *对醇类、酯类、酚类、酮类、卤代烃类、芳香烃类有很好的吸附性 *最常用的聚合物为聚二甲基硅氧烷（PDMS） （2）含氟聚合物 *化学稳定性好、耐热性好、疏水性强 *聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟乙烯（PVDF) *对氯仿、丙酮有很好优先透过性
XF
式中，Y与X分别为易渗透组分在渗透物和料液中的摩尔分数。增浓系 数越大，膜对易渗透组分的选择性越好。增浓系数应用于多组分体 系比较方便。
第1章 渗透蒸发膜技术概述
（3）膜的寿命
一定条件下，膜能够维持稳定的渗透性和选择性的最长时间。 膜的寿命受其化学、机械和热稳定性能的影响。 工业上可接受的寿命要求至少1年以上。
Xiaogang Hao, Mark Pritzker, Xianshe Feng∗ Department of Chemical Engineering, University of Waterloo, 200 University Avenue West,
Waterloo, Ontario, Canada N2L 3G1
第3章 渗透蒸发的应用
（2）异丙醇脱水 *除乙醇脱水外渗透蒸发过程的主要应用 *异丙醇与水在80.37℃形成共沸物，共沸物含异丙醇87.7% *用于乙醇脱水的膜可直接用于异丙醇脱水，且分离系数会
更高 *1986年，日本建造第一套渗透蒸发工业装置用于异丙醇脱
水，渗透液中异丙醇含量99.7%，产能500千克/小时。
溶解扩散机制解释
料液的浓度对苯酚渗透通量影响更 大，尤其是在高温下更显著
当苯酚浓度过高时，分子间形成氢键 而聚集，影响苯酚的扩散和渗透
文献讲解
苯酚及水的渗透通量对温度的 关系遵循Arrehnius关系式
a.温度的升高增加分子运动能力，提高 扩散速率；b.同时膜聚合物分子链运动 加强，有利于分子通过膜；c.提高了渗
1001
有机溶液脱 水（高水分
）
1510 异丙醇脱水
1005 有机酸脱水
2302
胺系有机 溶液脱水
膜材料
PVA
PVA
PVA
PVA
PVA
操作温度
80
80
80
/℃
80
80
进料的质量 95（乙醇） 90（乙醇） 90（异丙醇 80（乙酸）
含量/%
）
透过液的质 ＜5（乙醇 ＜3（乙醇 ＜5（异丙 ＜1（乙酸）
第2章 渗透蒸发膜材料
1.按结构分：均质膜、非对称膜和复合膜
膜分类
2. 按基本分离体系分：优先透水膜、优先透有机物膜和有机物分离膜 3.按膜材料分：有机高分子膜、无机膜和有机/无机复合物膜
4.按膜的形态分：玻璃态膜、橡胶态膜和离子型聚合物膜
渗透蒸发膜材料
有机高分子膜 §2.1优先透水膜
膜结构中含有亲水性基团，可与水分子发生相互作用 （1）聚乙烯醇膜（PVA）
膜组件 原料
截留物
冷凝器
不凝气 渗透物 真空泵
广泛采用的方法
第1章 渗透蒸发膜技术概述
（4）载气吹扫法
膜组件 原料
冷凝器
截留物 气液分离器
载气
第1章 渗透蒸发膜技术概述
（5）溶剂吸收法（吸收渗透蒸发）
膜组件
原料
再
生
器
渗透物
循环溶剂
该方法操作较为复杂，在膜后侧的传质阻力往往较大，因而不常用
第1章 渗透蒸发膜技术概述
小分子在膜进料侧表面溶解（吸附）
小分子穿过膜、扩散到膜的透过侧
小分子在透过侧膜表面解吸（汽化）
（该步骤进行的很快，对整个传质过程 影响不大）
第1章 渗透蒸发膜技术概述
（2）孔流模型
假定膜中存在固定的孔道和液-气相界面
液体组分通过孔道传输到液-气相界面
膜
组分在液-气相界面蒸发
进料液体
渗透物蒸汽
气体从界面出沿孔道传输出去
异丙醇脱水装置
第3章 渗透蒸发的应用
第3章 渗透蒸发的应用
§3.2 其他方面的应用 ⑴果汁的浓缩
聚丙烯酸类优先透水膜浓缩果汁、糖浆，优点是可以避免芳香物质 的损失，但目前所研究的膜通量还比较小。
⑵苯中微量水脱除
苯中含水量降至0.005%以下，传统恒沸精馏法能耗高，难以满足要 求。渗透蒸发法可达到0.003%以下。
4.结论
PEBA2533膜对苯酚/水体系表现出很好的渗透分离系数；当苯酚在料液 中浓度在0.1~2.0wt%范围内，吸附相中苯酚浓度在80~90wt%；膜 的性能受料液中苯酚的浓度影响，特别是在较高温度下。
YA / YB
XA / XB
YA、YB分别为渗透物中A与B的摩尔分数； XA、XB分别为料液中A与B的摩尔分数。
α =1,膜对组分A与B无分离能力 α >1,组分A比B更容易透过膜 α→∞，组分B基本不透过膜，组分分离完全
第1章 渗透蒸发膜技术概述
有时，也用增浓系数β来表征膜的分离效率
＝ YF
（1）渗透通量 单位面积、单位时间内渗透过膜的质量
J

M At
M--透过膜的组分的渗透量,g；A--膜面积，m2；t--操作时间，h J--渗透通量，g/（m2＊h)
渗透通量受膜的结构与性质、料液的组成与性质、温度压力等因素影响
用来表征组分通过膜的渗透速率
第1章 渗透蒸发膜技术概述
（2）选择性
表示膜对不同组分分离效率的高低，一般用分离系数α表示
苯酚与水之间强烈相互作用 导致苯酚和水的平衡吸附量
同步增大
温度升高，吸附量下降 说明吸附过程放热
苯酚在膜中高溶解性归因于 PEBA与苯酚的高度亲和性，同 时表明膜的高度选择渗透性源
自于高度选择溶解性
Fig. 9 shows that the phenol concentration in the feed tank decreases
透压
水分子结构小，通过膜的能量壁垒低； 料液苯酚浓度提高，则膜结构变得柔韧 松散，进一步降低水分子渗透过程的能
量壁垒
苯酚分子易于同周围水分子 形成络合物，导致高的渗透 能量壁垒；苯酚浓度提高，则 络合物体积更大，同时苯酚 分子间也会形成聚集体，影响
渗透过程的活化能
苯酚比水更容易溶解在PEBA膜中
用
第1章 渗透蒸发膜技术概述
§1.2 分离原理
料液
渗透物气体
产物 渗透蒸发的分离原理
第1章 渗透蒸发膜技术概述
本质原因
料液中各组分在 膜中的溶解度和 扩散速度存在差 异。
分离推动力
组分在膜两侧的 蒸汽分压差。 分压差越大，推 动力越大。尽可 能提高两侧蒸汽 分压差。
实现方法
提高膜上游侧蒸 汽分压；降低膜 下游侧蒸汽分压
第3章 渗透蒸发的应用
§3.1 有机溶剂脱水 研究最多、应用最普遍、技术最成熟。已有较多的工业实 例。
（1）无水乙醇和燃料乙醇的生产 *无水乙醇的生产是渗透蒸发脱水的最典型应用。世界上第
一套和最大的工业生产装置都是用于无水乙醇的生产。 *传统制备99.8%以上的无水乙醇，需要采取萃取精馏、加盐
精馏，过程复杂、能耗高、易污染。 *渗透蒸发节能1/2~1/3，避免污染
量含量/%
）
）
醇）
第2章 渗透蒸发膜材料
（2）壳聚糖膜
*不溶于水、碱液和普通溶剂，但可溶于甲酸、乙酸等的稀溶液。 *耐水性仍较差，需要交联处理，可使用戊二醛、硫酸交联；与PVA共混
改性。
第2章 渗透蒸发膜材料
（3）聚丙烯酸类膜 *亲水性强
*侧链的羧基可供交联，交联后能够耐多种有机溶剂 *分子量高，可以制备很薄且有韧性的膜
⑶酒类饮料中除去乙醇
优先透有机物膜，降低啤酒或果酒中的乙醇含量。
渗透蒸发与蒸汽渗透的比较
传递过程和规律
相同点
设备流程和降压方法
PV / VP
不同点
料液相状态、流动 性与传质阻力
操作温度与渗透通 量
杂质影响
文献讲解
Journal of Membrane Science
Use of pervaporation for the separation of phenol from dilute aqueous solutions
*世界上第一张商品膜（GFT膜），目前仍然广泛用于有机溶剂的脱水。 *分子链上含有大量的羟基，良好水溶性。 * 耐水、耐热差及蠕变较大等缺点。 * 需要对PVA进行后处理，如交联（使用马来酸、甲醛等）
第2章 渗透蒸发膜材料
德国GFT(Sulzer Chemtech)膜性能一览
型号 用途
1000
有机溶液脱 水
§1.3 过程特点
高效分离
分离系数可达几百或上千 不受相平衡的限制
能耗低
一般比精馏法节能1/2~1/3
简单、稳定、可靠
特点
操作温度低
可用于热敏性物质的分离
系统适应性高
可以处理多种不同的 分离体系
过程无需其他试剂
第1章 渗透蒸发膜技术概述
§1.4 渗透蒸发膜性能评价指标
膜的渗透通量和选择性，膜的寿命。
蒸汽渗透
（Vapour Permeation,VP)
第1章 渗透蒸发膜技术概述
PV，VP技术优点
蒸馏法难以分离或不能分离的
1
近沸点、恒沸点有机混合物溶液
有机溶剂中微量水的脱出、废水中少量
2
有机物污染物分离或水溶液中高价值 有机物回收具有经济上、技术上优势
“清洁工艺”，本身具有少污染或零
3
污染，适合食品、医药和环保领域应
⑶ 渗透蒸发 实验室小型渗透蒸发装置，冷凝加抽真空法；有效膜面积为20.4cm2
文献讲解
⑷ 吸附与解吸附实验 将一定质量的膜（W0）浸泡在不同浓度的苯酚溶液中至少48小时，并 维持在不同温度。溶胀称重法测量吸附量。
3.结果与讨论
⑴ 料液浓度与温度对膜的渗透 选择性的影响
一定温度下，渗透液中苯酚的浓度 随料液中苯酚浓度增加而显著增加； 总渗透通量则是稍微增加，且在料液 中苯酚浓度0.6wt%后会下降。
as pervaporation proceeds. The experimental data demonstrate the high efficiency of the PEBA membrane for the
recovery of phenol.
通过该模型可求出处理一定量的苯酚所需膜面积或加工时间 也可预测渗透物中苯酚的含量
Journal of Membrane Science 335 (2009) 96–102
文献讲解
1、前言
⑴ 苯酚回收的意义 石油化工、制药、塑料、杀虫剂工业重要原材料；毒性、高污染、 难生物降解。
⑵ 传统的苯酚回收方法 溶剂萃取、活性炭吸收、结晶；缺点是在苯酚低含量时，过程不经 济。
⑶ 膜处理技术-渗透蒸发 替代性技术，有重要应用前景；低能耗、无二次污染
⑷ 渗透蒸发膜材料 – PEBA（聚醚共聚酰胺） 对苯酚有出色的选择渗透性，目前还没有商业化的膜用于苯酚的渗 透蒸发分离
文献讲解
⑸ 作者的工作 选择 PEBA2533 （邵氏D硬度为25，聚醚含量为~80wt%) 研究温度、原料液中苯酚浓度对膜性能影响，同时也进行吸附研究来 确定苯酚在膜中的溶解性。
膜分离技术与应用
渗透蒸发与蒸汽渗透
----- 徐绍彬
Contents
1
渗透蒸发膜技术概述
2
渗透蒸发膜材料
3
渗透蒸发膜的应用
第1章 渗透蒸发膜技术概述
§1.1 技术简介
超过百亿美元年产值
膜技术家族
成熟膜技术 微滤、超滤 、电渗析、反 渗透、气体分 离
新型膜技术 渗透蒸发
(pervaporation,PV)
第1章 渗透蒸发膜技术概述
§1.5 传递过程的基本理论
渗透蒸发过程涉及到复杂的渗透物与膜、渗透物组分之间的相互作 用。目前已提出的描述模型有数十个，最主要的是溶解扩散模型和 孔流模型，其中溶解扩散模型应用比较普遍。
第1章 渗透蒸发膜技术概述
（1）溶解扩散模型
溶解 进料液体
膜 渗透物蒸汽
扩散
汽化
溶解扩散模型示意
第1章 渗透蒸发膜技术概述
（1）冷凝法（热渗透蒸发）
原料
加热器
膜组件
截留物
冷凝器
不凝气 气-液分离器
缺点是不能有效的保证不凝气从系统排除，实际很少应用
第1章ห้องสมุดไป่ตู้渗透蒸发膜技术概述
（2）抽真空法
原料
膜组件
截留物
冷凝器
排空
真空泵 真空泵负荷大，且不能回收有价值的渗透物
第1章 渗透蒸发膜技术概述
（3）冷凝加抽真空法