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中空纤维渗透汽化膜分离研究现状与展望

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c 纤维渗透汽化膜分离研究现状与展 7 中空纤维渗透汽化膜分离研究现状与展望 董永全 卫 张 林 陈欢林 (1.南昌航空大学材料化学系江西南昌330063;2.浙江大学材料与化学工程学院浙江杭州310027) 摘要:本文综述了中空纤维渗透汽化膜分离的研究进展,包括中空纤维支撑膜的制备、复 合膜的制备方法、中空纤维渗透汽化膜的工业应用和中空纤维渗透汽化膜传质特性等几 个方面,对这个方面所存在的问题以及今后发展方向进行了展望。 关键词:渗透汽化 中空纤维复合膜 中空纤维膜组件 1前沿 膜制成的复合膜,根据渗透汽化分离实验结果得到了 膜分离技术发展初期主要是以平板膜为主,但是 中空纤维复合膜基膜选择的标准。  ,中空纤维膜比平板膜更容易受到工业界采用以及商业 Wei Y M 研究了聚砜作支撑基膜的中空纤维渗 化,主要是因为与平板膜相比,中空纤维膜具有以下的 透汽化复合膜的制备过程中,基膜铸膜液组成、内凝胶 优点:(1)膜是自支撑,可使膜组件的加工简化,费用 浴组成、纺膜条件对膜结构的影响,对制得的聚砜中空 降低;(2)中空纤维膜的直径小,在装置中可紧密排列, 纤维膜用涂覆的方法制得了聚乙烯醇为分离层的渗透 因而由它组成的膜组件装填密度大;(3)设备小型化, 汽化复合膜,经热处理后进行乙醇脱水性能测试,在 结构简单。中空纤维膜的制备及发展大约从1966年 60℃操作温度下、95wt%乙醇/水溶液的分离因子为 开始,现在中空纤维膜已经广泛地应用于气体分离、血 185,渗透通量为30g/m h,基膜为指状孔的复合膜的 液透析、超滤、微滤等方面。 渗透通量高于海绵状孔的膜的渗透通量。 渗透汽化从1917年被发现以来,经过60年的发展 Tsai H A 用湿纺的方法制备了聚丙烯腈中空纤 后1982年首先在巴西实现了乙醇脱水的工业化应用, 维膜,进行热处理后得到中空纤维渗透汽化膜,用于异 随后对渗透汽化的研究开始大面积展开。虽然经历了 丙醇的脱水的研究,考察了热处理对基膜形貌结构和 接近二十多年的发展,渗透汽化的应用仍然有限,大多 分离性能的影响。发现热处理温度超过210 ̄C时,聚丙 数的应用都是有机物中脱水、所采用的膜组件基本为 烯腈膜表面发生了脱氢和环化反应,随着热处理温度 板筐式组件。最近几年从废水中脱除微量挥发性有机 的升高,膜表面变得致密。这种膜分离90wt%异丙醇 物的研究,基本都采用了中空纤维膜组件。本文就中 水溶液,120 ̄C温度下渗透通量为186g/m h,透过物 空纤维渗透汽化膜分离的研究现状和发展方向做一简 中水含量为99.2wt%。Tsai H.A 用干湿相转化法制 单评述。 备了醋酸纤维素中空纤维膜,然后在膜表面涂覆壳聚 2 中空纤维渗透汽化膜分离的研究和发展现状 糖分离层制得中空纤维复合膜,用于90wt%异丙醇脱 2.1 中空纤维渗透汽化复合膜基膜的研究 水,在25℃时渗透通量为169.5g/m h,透过物中水含 Jian K…用干湿相转化法制备了内径为0.05— 量为98.9wt%。 0.06cm,外径为0.07—0.08cm,致密层厚度为3 m的 Liu R X 7j通过控制纺丝条件制备出了具有完整皮 非对称聚偏氟乙烯I】空纤维膜,分离苯浓度为120ppm 层的BTDA—TDI聚酰亚胺的非对称中空纤维膜,并应 的水溶液,膜的分离因子达到了1834,渗透通量达到 用于异丙醇渗透汽化脱水,实验发现热处理对膜的分 5460g/m h。Tsai H A 用干湿相转化法制备非对称 离性能有较大的影响,当热处理温度超过300 ̄C是,分 聚砜中空纤维渗透汽化膜,考察了N一甲基吡咯烷酮 离因子和渗透通量都增加了近20~100倍,这种新的 (NMP)溶剂中添加溶剂型的添加剂二乙二醇二甲基醚 非对称中空纤维膜分离85%的异丙醇,60℃时分离因 (DGDE)和非溶剂型添加剂span一80对膜形态的影 子为10585,渗透通量为883.5 m h。Liu R x 还 响。试验结果发现NMP中添加DGDE后,在相转化过 研究了BTDA—TDI/PSf中空纤维复合膜,考察聚砜制 程中溶剂和非溶剂交换速率减小,从而抑制了大孔的 备条件:干程距离、内凝胶浴、外凝胶浴流速对膜成型、 形成。还考察了DGDE含量、料液组成、操作温度对中 结构形貌的影响,最后还测试了BTDA—TDI/PSf膜的 空纤维膜分离性能的影响。当NMP/DGDE比为8:2 异丙醇脱水性能,实验结果发现,从外层凝胶浴中引入 时制得的非对称膜,分离90wt%乙醇/水溶液时,分离 非溶剂可以使外层的手指状大孔延伸进内表层。热处 因子为23.9,渗透通量为172.7g/m h。蔡邦肖t3]则 理和化学交联对膜的分离性能有很大的影响,热处理 分别研究聚砜、聚丙烯腈两种材料的中空纤维膜做基 温度超过200 ̄C时,膜的分离因子增大,渗透通量减小。 维普资讯 http://www.cqvip.com 8 用间二甲苯二胺交联膜,交联2小时的膜有最好的分 2007年第4期 试结果表明这种方法可以用来制备中空纤维渗透汽化 膜。 Tsuyumoto M 14]将聚丙烯腈中空纤维膜用氢氧化 离因子和渗透通量,85wt%异丙醇/水、60q2操作温度, 膜的渗透通量可达883.5g/m ・h,分离因子为585。 Wang K Y 等则制备了BTDA—TDI(P84)共聚酰亚胺 钠处理,使一CN水解成一COO}t,利用羧酸和PCA一 为支撑层,聚苯并咪唑为分离层的中空纤维复合膜,用 于四氟丙醇的渗透汽化脱水性能测试,60℃操作温度 下。85wt%的四氟丙醇溶液的渗透通量为332g/m h, 分离因子为1990。 2.2中空纤维复合膜的制备方法 中空纤维复合膜制备方法主要有:涂覆法、溶剂处 理、接枝、同步挤压、等离子体聚合、离子反应、和界面 聚合等。 涂覆法是众多方法中最简单最方便的方法,董永 107之间的界面反应得到内涂分离层的聚丙烯腈中空 纤维复合膜。Cfisfina C P 1 用同步挤压法直接从中空 纤维纺丝机上制得中空纤维复合膜:采用了一种特制 的纺丝头,如图1.2所示,将分离层高分子铸膜液用泵 从纺丝头的B处挤入和基膜铸膜液在外力作用下挤压 在一起,从而形成中空纤维复合膜的方法。从试验结 果来看所制得的膜的分离层和基膜的附着性较差,如 图1.3中a图所示。Li D F‘1刮针对活性分离层和支撑 层之间附着性差的问题,通过研究基膜和分离层的收 缩率来改善制备工艺,经过改进后制得的复合膜分离 层和支撑层附着性较好。He 驯用同步挤压法在聚 砜中空纤维膜外表面原位聚合涂覆上~层磺化聚醚砜 离子交换层,研究结果表明,磺化聚醚砜的浓度是影响 全[】。‘等用聚砜中空纤维膜为基膜,把聚乙烯醇和海藻 酸钠共混后涂布在聚砜膜外表面,经过交联后制成中 空纤维复合膜,测试了膜对醇的分离性能。Air prod— ucts‘l¨公司开发出了~套可以实现连续涂膜的装置, 并申请了专利,其装置结构如图1.1所示。 c8i B X[12-13 3把用作反渗透的醋酸纤维素中空纤 维膜用丙酮溶剂处理,使膜表面变得致密,得到中空纤 维渗透汽化膜,用于有机/有机混合物的分离,性能测 ControIled 膜机械强度和附着性能的一个重要因素,当其浓度在 20—35wt%范围内,膜有很好机械强度和附着性,如图 1.3中b图所示。 图1.1涂覆法连续制备中空纤维复合膜的装置图 Yamaguchi T… 在多孔高密度聚乙烯中空纤维膜 丙烯酸接枝制得中空纤维复合膜,用于乙醇/水溶液的 脱水。考察了接枝率、离子交联和操作条件对膜分离 孔内接枝十二醇丙烯酸制得中空纤维复合膜,用于水 试验结果表明这种方法制备的膜对水有 中挥发性有机物(VOCs)的脱除,膜有很好的分离性 性能的影响,能。xu z K[19 对熔纺拉伸制备的聚丙烯中空纤维膜用 很好的选择性。 lionII 图1.2特制纺丝头平面、剖面示意图 维普资讯 http://www.cqvip.com

2007年l2月 中空纤维渗透汽化膜分离研究现状与展望 9 (a) (b) 图1.3同步挤压法制备的两种中空纤维复合膜(a)附着性差(b)附着性好 2.3中空纤维复合膜渗透汽化的工业放大应用 Franklin R A 用3m 的中空纤维渗透汽化膜组 件从水中脱除挥发性有机物(VOCs)进行了中试研究, 考察了操作时间和料液流速对VOCs脱除率的影响,发 现这种膜有很好的渗透通量,但是膜分离层的破损是 一用试验验证了计算结果:总的传质系数和中空纤维膜 的充填率有很大关系。高充填率的地方有较低的流量 和较低的传质系数,从而解释了中空纤维膜组件总传 质系数下降的原因。Robert O C_1 研究了PDMS/PVDF 中空纤维膜组件从水中脱除氯仿边界层内的传质阻力 系数,得到了传质系数的关联式。Akira I_2 研究了硅 橡胶微管膜分离芳香烃/水和乙醇/水混合物的热传递 过程,建立了数学模型方程,求解得到了膜组件内部的 温度降。Olivera T. 对支撑层对醇、醚渗透汽化脱水 个亟待解决的问题。Tsuyumoto M_2”用自己制备的 6m 的中空纤维膜组 f中,分别对99wt%和99.5wt%的 乙醇进行脱水中试实验,考察了进料浓度、料液流速、 操作温度、渗透侧压力对膜分离性能的影响,根据试验 数据得到了中空纤维膜的渗透通量模型方程,另外还 考察了膜的稳定性。Tsuyumoto M 用聚丙烯腈内涂 PCA一107的中空纤维膜进行了乙醇脱水的试验研究, 传质影响做了研究,试验结果表明提高基膜的空隙率 和膜孔尺寸可以减小Knudsen区域的长度,降低支撑层 内的压力降。Leland M V ”则对水中脱除VOCs的浓 修正了水和乙醇渗透通量的模型方程以扩大其适用 性。这是目前文献报道的最大膜面积的中空纤维渗透 汽化膜组件,膜面积达到了6m 。Andrew S 制备了 聚二甲基硅氧烷(PDMS)中空纤维复合膜,并以实际桔 子汁副产品为料液,考察了料液流速和进料浓度对芳 差极化现象提出了一种振动式的渗透汽化膜组件,用 于从水中脱除挥发性有机物,试验发现采用这种新的 膜组件大大减小了分离过程中的浓差极化。 3存在的问题与展望 纵观中空纤维渗透汽化膜分离技术的研究现状, 香烃回收效率的影响,试验结果显示这种膜组件从稀 溶液中回收高附加值的芳香族化合物有很好的发展潜 普遍存在以下困难:能够商业化的高分离性能的分离 层膜材料种类有限,无缺陷的中空纤维复合膜的工业 力。 2.4中空纤维渗透汽化膜传质特性的研究 Urtiaga A.M. 对中空纤维膜组件渗透汽化从水 化制备,中空纤维渗透汽化膜组件的渗漏以及中空纤 维膜组件内部沟流引起的传质不均等问题。 基于这些问题,从以下方面进行着手是有必要的: 首先是开发新的高通量的优先透水、透有机物分离膜; 其次研制能实现连续制备高薄、致密无缺陷的中空纤 中分离氯仿建立了传质模型方程,用实验考察了氯仿 浓度和料液流速和操作温度对分离性能的影响,从而 验证了模型方程。Qin Y J 针对中空纤维膜组件渗 透汽化从稀溶液中脱除微量组分的膜过程,建立了数 维复合膜的方法或者设备、最后设计结构合理的新型 中空纤维膜组件,从而实现中空纤维渗透汽化实验室 学模型方程,用来指导单个膜组件的设计,以预测膜组 件的操作性能,试验结果证实了这个数学模型方程能 够指导膜组件设计。Qin Y JL26 用数值计算方法分析 研究与工业化应用接轨,才能真正实现中空纤维渗透 汽化膜的大面积推广使用。 参考文献 了壳程界面上的非线性边界条件的中空纤维膜分离过 程,把16个非线性边界条件用无因次化处理简化为4 [1]Jian K,Pintauro P N.Asymmetric PVDF hollow—fi。 ber membranes for organic/water pervaporation separa— 个边界条件。通过解连续性方程得到管程传质系数关 联式,计算结果证实壳程传质系数是壳程进121浓度和 管程浓度的函数,可以用来设计和评价中空纤维膜分 离过程。Bao L 对中空纤维膜不均匀填充对膜组件 tions[J].J.Membr.Sci,1997,135:41—53. [2]Tsai H A,Hong M J,Huang G S,et a1.Effect of DGDE additive Off the morphology and pervaporation performances of asymmetric PSf hollow fiber men— 外部传质系数的影响进行了分析,得到料液流沿轴向 的速度梯度,用数值估算法得到了膜表面的速度梯度, branes[J].J.Membr.Sci.,2004,208:233—9_45. 维普资讯 http://www.cqvip.com 1O 江西化工 2007年第4期 [3]蔡邦肖.影响渗透汽化中空纤维复合膜分离性能 的制各工艺研究[J].水处理技术,2000,26(3): 136—139. [15]Cristina C P,Ronaldo N,Peinemann K V,Cristiano P B.Hollow fiber membranes obtained by simuhane— OUS spinning of two polymer sohtions:a morphologi— [4]wei Y、M,Xu Z L,Alslahy Q F,Wu K.Polyvinyl al— cohol/polysulfone(PVA/PSF)hoUow fiber composite membranes for pervaporation separation of ethanol/wa— cal study[J].J.Membr.Sci.,2003,226:35— 5O. [16]“D F,Chung T S,Wang R.Morphological aspects nd structure contraol of dual—layer asymmetric hol_ low fiber membranes formed by a simultaneous co— ter sdution[J].J.App1.Poly.Sei.2005,98:247— 254. 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