气相外循环式蒸汽渗透技术用于低浓度乙醇/水溶液原位分离的实验研究

摘要

生物乙醇作为一种可再生的清洁能源，用来代替煤炭、石油等不可再生的能源，可以极大地缓解目前存在的能源危机，并且绿色、环保、无污染，减轻大气污染，因此非常有望逐渐替代传统的化石燃料。 众所周知，生物乙醇的发酵过程是一个典型的产物抑制过程，即在发酵过程中，随着产物生物乙醇的逐渐增多，会对整个发酵过程造成一种抑制作用，从而使得发酵过程越来越缓慢，产率慢慢降低。因此就需要找到一种方法，可以及时、在线地将生成的产物乙醇分离出来，从而减小这种产物的抑制作用。蒸汽渗透过程相比较于传统的渗透汽化技术来说，虽然与之有很多相似之处，但是从目前的研究结果来看，它却有自己相对于渗透汽化过程来说很独特的一些优势，比如，蒸汽直接与膜表面接触，大大降低膜污染，更有利于实现膜材料的循环利用和长期利用，并且在工业范围内可以有望实现大规模的生产。因此很多科学家和学者开始重视研究蒸汽渗透过程，并且尝试将这种独特的过程与生物乙醇的发酵过程进行耦合，以此来实现对发酵过程中产物乙醇进行原位分离的目的，从而减弱产物乙醇对整个发酵过程的抑制作用。 本课题起初用实验室自制的PDMS膜在实验室传统研究的渗透汽化技术条件下来分离低浓度的乙醇/水溶液，但是，在此过程中考虑到自制的PDMS膜存在的膜厚度大、渗透通量比较低的问题，并且始终无法克服渗透汽化存在的一系列问题，如膜污染严重导致渗透通量有所下降等。后来用实验室自己配制的低浓度的乙醇/水溶液模拟发酵液对蒸汽渗透过程进行了一系列的实验研究，采用外置式的气相循环蒸汽渗透技术，考察了不同料液浓度、不同料液温度和膜器温度、不同的循环气量（不同的蒸汽的体积流量）、不同膜材料、不同的后侧真空度、不同的后侧冷凝温度、不同的气相温度、不同的V/A比（料液体积/膜面积）等实验条件对蒸汽渗透过程分离乙醇/水溶液实验的影响。另外还用商业PDMS膜在蒸汽渗透条件下考察了不同的待分离体系的蒸汽渗透性能。在此实验结果的基础上，基本上大致可以确立蒸汽渗透过程用于低浓度乙醇/水分离的实验操作条件，为后续的大规模研究和工业化生产奠定理论基础。 实验结果表明:用实验室自制的PDMS膜在分离低浓度乙醇/水溶液的时候，分离因子一般可以达到10左右，但是渗透汽化过程的通量一般比较低，只能在300-500g/(m2·h)。接下来考察商业的PDMS膜的蒸汽渗透性能，随着料液浓度的升高，商业PDMS膜的蒸汽渗透通量稍微有所提高，分离因子明显有所提高。随着料液温度和膜器温度的提高，商业PDMS膜的蒸汽渗透通量稍微有所提高，分离因子亦稍微有所提高。但是随着气相温度的升高和蒸汽体积流量的增加，商业PDMS膜的蒸汽渗透通量和分离因子都呈现比较明显的提高。在研究考察蒸汽的体积流量对商业PDMS膜的蒸汽渗透性能影响实验中，分别考察了未加入和加入空气分布器两组对比实验，结果发现随着蒸汽的体积流量的增加，渗透通量刚开始都是呈现快速增大的趋势，然后稍微有所下降，分离因子也是同样的变化趋势;只是在加入空气分布器之后，在同样的其他操作条件下，渗透通量和分离因子相比于不加空气分布器的情况下都有所增加。随着后侧真空度的增加，渗透通量呈现缓慢增加的趋势，分离因子则一直有所下降。随着后侧冷凝温度的降低，渗透通量呈现明显的增加，分离因子也明显增大。接下来进行了不同膜材料之间的蒸汽渗透性能对比实验，研究结果表明，商业PDMS虽然在渗透通量方面虽然达不到其他经过改性过的PVTES（聚乙烯基三乙氧基硅烷）膜的水平，但是在分离因子上面还是占有绝对的优势。然后，作为单独一部分考察了最开始制备PDMS膜时不同的溶剂用量对膜的蒸汽渗透性能的影响，发现随着制备时添加的溶剂量的增加，渗透通量呈现明显的增加，但是分离因子在溶剂用量达到一定水平之后开始下降。最后比较考察了商业的PDMS膜对不同的料液体系的分离性能，发现商业PDMS膜不仅仅适用于低浓度乙醇/水溶液的分离，对于低浓度的正丁醇/水溶液也有相当好的分离效果，这就为商业PDMS膜在其他一些分离过程当中的应用提供了一定的参考价值。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 课题背景

1．2 传统燃料乙醇发酵-分离耦合技术的研究进展

1．2．1 吸附—发酵

1．2．2 汽提—发酵

1．2．3 抽真空—发酵

1．2．4 萃取—发酵

1．2．5 传统的膜分离技术—发酵

1．3 乙醇发酵与新型膜分离技术的耦合

1．3．1 发酵—渗透汽化

1．3．2 发酵—蒸汽渗透

1．4 影响发酵—蒸汽渗透技术耦合过程的因素

1．4．1 膜材料的物化结构和被分离组分的物化性质

1．4．2 膜厚度

1．4．3 料液浓度

1．4．4 料液温度

1．4．5 膜上下游压力差(膜后侧真空度)

1．4．6 蒸汽流速(循环气量)

1．4．7 蒸汽渗透膜反应器

1．5 本课题研究目的、内容与意义

第二章 实验部分

2．1 概述

2．2 实验部分

2．2．1 膜材料

2．2．2 蒸汽渗透膜分离器

2．2．3 试剂、仪器设备及分析设备

2．2．4 实验装置和简单流程图

2．3 实验数据处理方法

2．3．1 乙醇含量的测定

2．3．2 数据处理方法

第三章 乙醇／水体系气相外循环式蒸汽渗透实验

3．1 料液温度的影响

3．2 料液浓度的影响

3．3 膜器温度的影响

3．4 循环气量(蒸汽的体积流量)的影响

3．4．1 未加入空气分布器时，考察蒸汽的体积流量对商业PDMS膜的VP性能的影响

3．4．2 加入空气分布器后考察蒸汽的体积流量对商业PDMS膜的VP性能的影响

3．5 后侧真空度的影响

3．6 后侧冷凝温度的影响

3．7 气相温度(蒸汽的温度)的影响

3．8 不同膜材料的影响

3．9 不同溶剂用量的影响

3．10 不同料液体系的影响

3．11 本章小结

第四章 乙醇发酵-蒸汽渗透耦合过程的实验研究

4．1 V／A比(发酵液体积与膜面积比值)

4．2 内置式气相循环

4．3 外置式气相循环

4．3．1 模拟发酵液——乙醇／水体系的外置式膜器蒸汽渗透实验

4．4 外置式与内置式膜器蒸汽渗透-乙醇发酵耦合实验对比

4．5 本章小结

第五章 结论

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师介绍

参考文献