渗透汽化法水中脱醇及传质过程的研究

摘要

在生物发酵过程中，需要即时不断地从发酵液中分离出醇类，由于发酵菌类的生存温度限制，此过程的操作温度不宜过高，更不宜引入新的化学物质，因此渗透汽化技术非常适用于该过程。聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜具有疏水性和对挥发性有机物组分有较高的渗透选择性等优点，多被用于挥发性有机物的渗透汽化过程的研究。　　 本研究中分别以自制的聚砜(PS)膜和成品聚偏氟乙烯(PVDF)（孔径分别为0.15μm，0.30μm，0.45μm）膜为支撑层制备PDMS/PS和PDMS/PVDF复合膜。经实验证明，几类复合膜都具有很好的耐用性及较高的选择性。　　 将PDMS/PS复合膜用于乙醇-水的渗透汽化过程研究，考察了料液温度、浓度及流速对渗透汽化性能的影响。研究表明，乙醇渗透通量随料液温度、浓度及流速的增加而增大；选择性随着料液温度、浓度的升高而增大，而流速对其影响不大。对传质过程进行分析，利用Wilson图解法确定膜阻及液相传质系数，并获得传质准数关联式，进一步得到渗透汽化传质半经验模型，该模型的计算值与实测值的相对误差小于10％，具有较好的精度。　　 考察了PS与PVDF两种材料的支撑层及不同孔径的PVDF支撑层的复合膜对乙醇-水渗透汽化性能的影响。实验结果表明，PDMS/PVDF复合膜比PDMS/PS复合膜具有大的渗透通量和选择性，大孔径支撑层的PDMS/PVDF复合膜具有更高的渗透通量；不同孔径支撑层的PDMS/PVDF复合膜选择性相差很小；PDMS/PS复合膜的选择性随着料液温度、浓度的升高而增大，而PDMS/PVDF复合膜则相反。　　 研究了孔径为0.45μm支撑层的PDMS/PVDF复合膜对乙醇、正丙醇、正丁醇-水溶液的渗透汽化分离性能。实验研究表明，三种醇类的渗透通量、分离系数及总传质系数从大到小的顺序均为正丁醇、正丙醇、乙醇，该结果与溶解度参数原则和极性相似相溶原则一致。

目录

文摘

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符号说明

第一章 绪论

1.1 膜分离技术

1.2 渗透汽化技术

1.2.1 渗透汽化技术国内外研究应用进展状况

1.2.2 渗透汽化膜

1.3 PDMS复合膜渗透汽化技术水中脱除醇类的研究进展

1.3.1 渗透汽化脱醇技术应用

1.3.2 渗透汽化脱醇膜材料

1.3.3 渗透汽化传质过程中串联阻力模型的研究

1.3.4 支撑层对硅橡胶复合膜渗透汽化性能的影响

1.4 本论文工作的提出

第二章 膜渗透汽化与传质原理

2.1 膜渗透汽化原理

2.2 膜性能评价参数

2.3 影响渗透汽化分离性能的因素

2.4 渗透汽化传质模型

2.4.1 经验模型

2.4.2 半经验模型

2.4.3 理论模型

2.5 溶解扩散传质机理

2.5.1 总传质方程

2.5.2 分传质系数的确定

2.5.3 传质准数关联式的建立

第三章 PDMS/PS膜渗透汽化脱除乙醇的研究

3.1 实验中的原材料、试剂

3.2 实验用膜

3.2.1 支撑层聚砜膜的制备

3.2.2 PDMS/PS复合膜的制备

3.2.3 实验用膜的表征

3.3 实验装置

3.4 实验分析方法

3.5 实验结果及讨论

3.5.1 料液温度对渗透汽化性能的影响

3.5.2 料液浓度对渗透汽化性能的影响

3.5.3 流速对渗透汽化性能的影响

3.5.4 传质准数关联式的建立

3.5.5 传质阻力的分配

3.5.6 渗透汽化传质模型的建立

3.6 本章小结

第四章 不同支撑层复合膜对乙醇-水渗透汽化性能的影响

4.1 实验所用膜材料的物化性质

4.1.1 聚砜

4.1.2 聚偏氟乙烯

4.1.3 聚二甲基硅氧烷

4.1.4 膜材料以及溶剂的物性比较

4.2 PDMS/PVDF复合膜的制备及表征

4.2.1 PDMS/PVDF复合膜的制备

4.2.2 PDMS/PVDF复合膜的表征

4.3 实验结果及讨论

4.3.1 PDMS/PVDF复合膜的渗透汽化性能

4.3.2 不同支撑层的复合膜渗透汽化性能比较

4.4 本章小结

第五章 不同醇类的渗透汽化性能研究及比较

5.1 复合膜的选择

5.2 实验分析方法

5.2.1 正丙醇-水溶液的分析方法

5.2.2 正丁醇-水溶液的分析方法

5.3 实验结果及讨论

5.3.1 正丙醇/正丁醇水溶液的渗透汽化性能

5.3.2 不同醇类渗透汽化性能比较

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

北京化工大学 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书