PVA复合膜的渗透汽化性能研究(I)

　　崛起于液体分离领域的渗透汽化膜过程，正是由于运用了聚乙烯醇／聚丙烯腈(PVA／PAN)复合膜，才于80年代初首先在酒精脱水的工业生产中得到成功应用。我们设计开发成功的首台渗透汽化中试装置[1，2]采用的是以PVA为主要材料的复合膜。因此，开发高选择性、高渗透通量的PVA复合膜是发展渗透汽化技术的一个主要研究方向。
　　本文研制的PVA复合膜的酒精脱水分离性能，旨在揭示渗透汽化过程该复合膜的分离性能与过程参数的关系，着眼于工业应用，展示该复合膜长期运行时的分离性能。

1　实验部分

1.1　PVA复合膜的制备
　　以聚丙烯腈(PAN)膜为支撑层，以聚乙烯醇(PVA)为活性层，制成PVA复合膜。
1.2 复合膜的性能测试
　　渗透汽化性能测试采用膜下游抽真空，渗透物以液N₂冷凝收集方法。膜有效面积为2.2×10^-3m²。除说明外，运行温度31℃，膜面流速4.2×10^-2m／s，膜下游压力7×10³Pa--10×10³Pa。
　　以不同浓度的酒精为料液，改变操作温度或膜下游真空度或膜面物料流速，可获得一定条件下复合膜的渗透汽化分离性能。渗透通量(J)以单位时间(h)单位膜面积(m²)透过的渗透物重量(g)表示，料液和渗透物的乙醇浓度(Xe、Ye)用气相色谱分析方法测定[3]。分离因子(α)的表达式为：
　　　　α=［渗透物中水浓度（Yw）/渗透物中乙醇浓度（Ye）］/［料液中水浓度(Xw)／料液中乙醇浓度(Xe)］

2　　结果与讨论

2.1　渗透汽化操作条件的影响
2.1.1　进料浓度的影响
　　 采用已在室温条件下贮存10.5个月后并已实验运行38天的4707号PVA／PAN复合膜，分别测试膜对不同浓度料液的分离性能，结果见图1。
　　 从图1可以看出，当料液的乙醇浓度增加时，复合膜的渗透通量直线下降，但其值均大于400g／m²·h，而渗透物中的乙醇在料液恒沸组成浓度时仍然检测不出，直到料液的乙醇浓度大于96wt％时，渗透物中乙醇浓度逐渐增加，但始终小于1.0wt％。结果表明，复合膜的渗透汽化性能优良，显著地表现在即使料液乙醇浓度大于99wt％时，仍具有较高的渗透通量和优 异的选择分离性能。
2.1.2　操作温度的影响
　　采用已在室温条件下贮存10.5个月的4706号复合膜，在料液的乙醇浓度91.35wt％时，测定了不同的操作温度(tf)时的分离性能，结果见图2。

　　图2显示，渗透通量的增加虽然变化幅度不太大，但呈直线上升。而渗透物的乙醇浓度(Cp，e)在35℃以下操作时都检测不出；高于35℃，则随着操作温度的提高而明显的增加。这些性能变化符合大多数渗透汽化选择分离性能与温度的关系[4]。
2.1.3 操作压力的影响
　　在渗透汽化过程的操作中，膜上游的压力即使在高达接近10MPa的压力范围内，都不会对膜的分离性能产生明显的影响[5]。因此，本文仅研究过程中膜下游压力的影响。表1列出了有关实验结果。

表1  下游压力对复合膜性能的影响（膜号：4707）

膜下游压力（Pa)	渗透通量（g/m2.h)	乙醇浓度（wt%)		已运行时间（d）
		料液	渗透液
1×104	506	94.10	0.0	30
2×103	647	94.40	0.06	44
7×103	476	99.29	0.271	38
2×103	617	99.12	0.147	43

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