复合结构渗透汽化催化膜制备及其传质性能的研究

摘要

渗透汽化催化膜反应器(Pervaporation Catalytic MembraneReactor，PVCMR)是一种将渗透汽化膜分离过程和催化反应过程耦合的过程强化技术。其中，同时具有分离和催化双功能的渗透汽化催化膜因其能对反应产物进行“原位”分离，极大地减小了分离的传质阻力，提高了分离效率，近年来受到越来越多研究者的关注。本文针对复合结构渗透汽化催化膜催化层结构较为致密、传质阻力较大的问题，采用浸没沉淀相转化法制备了结构较为疏松的多孔催化层，研究了不同膜反应器的传质阻力及其对酯化反应中反应-分离耦合过程的影响。
　　本文在实验室前期研究的基础上，选用聚乙烯醇(PVA)作为渗透汽化催化膜的膜材料，固体酸Zr(SO4)2·4H2O作为催化剂，以乙醇作为凝固浴，采用浸没沉淀相转化法制备了PVA复合催化膜多孔催化层。考察了不同致孔剂(聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)和LiCl）、致孔剂浓度、PVA浓度、凝固浴温度等制膜条件对PVA复合催化膜分离性能的影响。使用扫描电子显微镜(SEM)和热重分析(TG)对制备的PVA多孔催化层进行了形貌结构和化学物理性质表征。此外，还对PVA多孔催化层的催化剂流失情况和孔隙率进行了测定。使用气相色谱对膜反应器膜前侧各反应组分变化进行实时监测。
　　实验结果表明:采用PVP作为致孔剂时，PVA多孔催化层呈现出类似于网状的疏松膜结构，其加压渗透通量亦较为理想。优化后的PVA多孔催化层的制备条件为:PVA浓度为10wt.％、PVP浓度为1.0wt.％、凝固浴温度为40℃。制备的PVA多孔催化层对催化剂具有良好的固定效果，在使用有机溶剂对PVA多孔催化层浸泡搅拌7天后，其催化剂流失率低于3％。使用干湿法测定了PVA多孔催化层的孔隙率，其孔隙率高达80％。相同实验条件下，PVA多孔催化层复合催化膜反应器的水通量高于PVA致密催化层复合催化膜反应器的水通量。PVA多孔催化层复合催化膜反应器膜前侧水浓度由5wt.％上升到9wt.％时，其水通量由183g·m2·h上升至441g·m2·h，分离因子由436下降为356。在合成乙酸丁酯反应28h以后，PVA多孔催化层复合催化膜反应器膜前侧水浓度基本为0，而PVA致密催化层复合催化膜反应器和PVA分离膜反应器的膜前侧水浓度分别0.758mol/L和1.02mol/L。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 反应-分离耦合技术

1．1．1 反应-分离耦合技术简介

1．1．2 反应-分离耦合技术分类

1．1．3 渗透汽化膜反应器

1．2 高分子催化膜

1．2．1 高分子膜材料

1．2．2 高分子催化膜的制备方法

1．3 渗透汽化传质模型

1．3．1 渗透汽化传质模型简介

1．3．2 溶解扩散模型

1．4 本文研究的内容及意义

第二章 实验部分

2．1 实验试剂与主要仪器

2．2 实验装置及流程

2．2．1 PVA分离膜的制备

2．2．2 PVA多孔催化膜的制备

2．2．3 PVA复合催化膜的制备

2．2．4 实验装置

2．3 主要评价指标

2．3．1 渗透汽化性能评价

2．3．2 反应转化率评价

第三章 PVA复合催化膜的优化及表征

3．1 PVA复合催化膜的表征

3．1．1 形貌表征

3．1．2 化学物理性质表征

3．1．3 孔隙率测定

3．1．4 光透射动力学实验

3．2 PVA多孔催化膜的催化性能稳定性测试

3．3 PVA多孔催化膜的通量测试

3．4 PVA复合催化膜的渗透汽化性能测试

3．4．1 PVA浓度的影响

3．4．2 致孔剂PVP浓度的影响

3．4．3 凝固浴温度的影响

3．5 本章小结

第四章 PVA复合催化膜反应器传质动力学的研究

4．1 水浓度对不同膜反应器渗透汽化分离性能的影响

4．2 分离层厚度对不同膜反应器渗透汽化分离性能的影响

4．3 催化层传质阻力的计算

4．4 不同膜反应器的反应-分离耦合实验

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

研究成果及发表学术论文

致谢

作者和导师简介