第十章 渗透汽化(PV)

1、2022-2-16第第 十十 章章2022-2-1621. 渗透汽化渗透汽化(Pervaporation)的概念的概念渗透汽化（或渗透蒸发或全蒸发）渗透汽化（或渗透蒸发或全蒸发）是指液体混合物是指液体混合物在膜的一侧与膜接触时，其中在膜的一侧与膜接触时，其中易透过组分易透过组分较多地溶较多地溶解在膜上，并扩散通过膜，在膜的另一侧气化而被解在膜上，并扩散通过膜，在膜的另一侧气化而被抽出，从而达到分离的膜过程。正因为这一过程是抽出，从而达到分离的膜过程。正因为这一过程是由由“permation”(渗透渗透)和和“evaporation”(蒸发蒸发)等两等两个过程所组成，所以合并二词的头尾而被称为个

2、过程所组成，所以合并二词的头尾而被称为“pervaporation”，简称，简称PV。32. 渗透汽化的分类渗透汽化的分类I.减压渗透汽化减压渗透汽化II. 加热渗透汽化加热渗透汽化III. 吹扫渗透汽化吹扫渗透汽化IV. 冷凝渗透汽化冷凝渗透汽化45671.最大特点是最大特点是单级选择性好单级选择性好。从理论上说，。从理论上说，PV分离分离的程度无极限，适合的程度无极限，适合分离沸点相近的物质分离沸点相近的物质，尤其，尤其适于适于恒沸物的分离恒沸物的分离。对于回收含量少的溶剂也不。对于回收含量少的溶剂也不失为一种好方法；失为一种好方法；2.由于由于PV过程中过程中有相变有相变发生，所以发生，

3、所以能耗较高能耗较高；3.PV过程的过程的操作简单操作简单，易于掌握；，易于掌握；4.在操作过程中，进料侧原则上不需加压，所以不在操作过程中，进料侧原则上不需加压，所以不会导致膜的压密，透过率也不会随时间的延长而会导致膜的压密，透过率也不会随时间的延长而减小；减小；3. 渗透汽化（渗透汽化（PV）的特点）的特点85.与与RO等过程相比，等过程相比，PV的通量要小得多，一般在的通量要小得多，一般在2000g/m2h以下，而具有高选择性的则更小。以下，而具有高选择性的则更小。 PV过程与过程与RO、UF及及GS等膜分离方法的最等膜分离方法的最大区别在于，前者的组分透过膜时，将产生相大区别在于，前者

4、的组分透过膜时，将产生相变。变。9渗透汽化适用的分离过程渗透汽化适用的分离过程 具有一定挥发性的物质的分离具有一定挥发性的物质的分离(先决条件先决条件); 从混合液中分离出少量物质从混合液中分离出少量物质; 恒沸物的分离恒沸物的分离; 精馏难以分离的精馏难以分离的沸点相近物质的分离沸点相近物质的分离; 与反应过程结合与反应过程结合.10PV过程原理示意图过程原理示意图其分离机理可分为其分离机理可分为3步：步：(溶解溶解扩散扩散模型模型)被分离的物质在膜表面被分离的物质在膜表面上有选择地被吸附并被上有选择地被吸附并被溶解；溶解；通过扩散在膜内渗透；通过扩散在膜内渗透；在膜的另一侧变成气相在膜的另

5、一侧变成气相脱附而与膜分离。脱附而与膜分离。4. 渗透汽化渗透汽化(PV)的原理的原理11下游抽真空或惰气吹扫渗透汽化过程示意图下游抽真空或惰气吹扫渗透汽化过程示意图1213Cross-section of a composite membrane145. 渗透汽化过程传递机理渗透汽化过程传递机理1。溶解溶解扩散模型扩散模型 料液中组分吸收进入膜料液测表面；料液中组分吸收进入膜料液测表面； 组分扩散透过膜；组分扩散透过膜； 从下游侧表面解吸进入气相。从下游侧表面解吸进入气相。2。孔流模型孔流模型 液体组分通过孔道传输到膜内某处的液液体组分通过孔道传输到膜内某处的液气相界气相界面；面； 组分在液

6、组分在液气相界面处蒸发；气相界面处蒸发； 气体从界面片沿孔道传输出去。气体从界面片沿孔道传输出去。156. 影响渗透汽化过程的因素影响渗透汽化过程的因素膜材料及其结构，被分离组分的性质膜材料及其结构，被分离组分的性质温度温度料液组成料液组成上、下游压力上、下游压力浓差极化及温度梯度浓差极化及温度梯度膜厚度膜厚度167. 渗透汽化膜渗透汽化膜渗透汽化膜材料的选择渗透汽化膜材料的选择必须遵循几个原则必须遵循几个原则A. Flory-Huggins相互作用参数相互作用参数B. 溶解度参数理论溶解度参数理论 组分与聚合物的溶解度参数之矢量组分与聚合物的溶解度参数之矢量差小，则组分与聚合物间的亲和力大，

7、组分在聚合物中差小，则组分与聚合物间的亲和力大，组分在聚合物中的溶解量大的溶解量大。C. 极性相似和溶剂化原则极性相似和溶剂化原则D. 定性的亲憎水平衡理论定性的亲憎水平衡理论17膜材料选择性的预测膜材料选择性的预测 溶解度参数溶解度参数 聚合物的亲水性、疏水性聚合物的亲水性、疏水性 如，如，亲水性聚合物亲水性聚合物能优先透过水，是脱水膜最好的候选材料。能优先透过水，是脱水膜最好的候选材料。 弹性体聚合物与玻璃态聚合物弹性体聚合物与玻璃态聚合物 弹性体材料通弹性体材料通常优先吸附有机溶剂，是从水中脱除有机溶剂常优先吸附有机溶剂，是从水中脱除有机溶剂渗透汽化膜最好的候选材料。渗透汽化膜最好的候选

8、材料。18渗透汽化膜渗透汽化膜1。优先透水膜优先透水膜 非离子型聚合物膜非离子型聚合物膜 如如PVA 离子型聚合物膜离子型聚合物膜 将亲水基团引入疏水膜中的透水膜将亲水基团引入疏水膜中的透水膜 聚电解质透水膜聚电解质透水膜2。优先透过有机物膜优先透过有机物膜 有机硅聚合物有机硅聚合物 含氟聚合物含氟聚合物 纤维素衍生物纤维素衍生物193。有机物分离膜有机物分离膜 醇醇/醚醚分离膜分离膜 芳烃芳烃/烷烃烷烃分离膜分离膜 同分异构体同分异构体分离膜分离膜 芳烃芳烃/醇类醇类分离膜分离膜208. 8. 渗透汽化的应用渗透汽化的应用1. 有机溶剂脱水有机溶剂脱水 这是这是PV过程研究最多，产业化最早，

9、过程研究最多，产业化最早，应用最普遍，技术最成熟的领域。无水乙醇的生产、异应用最普遍，技术最成熟的领域。无水乙醇的生产、异丙醇的脱水浓缩、苯中微量水的脱除、碳六溶剂中微量丙醇的脱水浓缩、苯中微量水的脱除、碳六溶剂中微量水的脱除。水的脱除。一般采用亲水性的聚乙烯醇一般采用亲水性的聚乙烯醇(PVA)为分离层，聚丙烯腈为分离层，聚丙烯腈(PAN)多孔膜为支撑层的多孔膜为支撑层的PVA/PAN复合膜。复合膜。从国际上已投产的从国际上已投产的PV工业装置的运行结果表明，与传统工业装置的运行结果表明，与传统的恒沸蒸馏和萃取精馏相比，采用的恒沸蒸馏和萃取精馏相比，采用PV技术生产无水乙醇，技术生产无水乙醇，

10、可使能耗大大降低，仅为蒸馏法的可使能耗大大降低，仅为蒸馏法的1/2 1/3，整个生产装，整个生产装置总投资为传统分离方法总投资的置总投资为传统分离方法总投资的40%80%。21Glycol/water separation process乙二醇乙二醇/水水22Dehydration of Ethylene Dichloride (EDC)1,2-二氯乙烷二氯乙烷 23Photograph of a 50-m2 GFT plate-and-frame module and an ethanol dehydration system fitted with this type of module.

11、24The use of permeate vapor fractional condensation systems to improve the separation achieved in pervaporation of dilute ethanol solutions25Integrated distillationpervaporation plant for ethanol recovery from fermentors2. 水中脱除有机物水中脱除有机物 PV法进行水中有机物的脱除及回收，法进行水中有机物的脱除及回收，20世纪世纪90年代初期实现工业化应用，比有机溶剂脱水约晚年

12、代初期实现工业化应用，比有机溶剂脱水约晚10年的时间。已经开发出包括硅橡胶膜在内的多种膜材料，其年的时间。已经开发出包括硅橡胶膜在内的多种膜材料，其中用于脂肪烃、卤化烃、芳香族化合物（如环已烷、已烷、中用于脂肪烃、卤化烃、芳香族化合物（如环已烷、已烷、氯甲烷、氯仿、氯乙烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等）的分氯甲烷、氯仿、氯乙烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等）的分离因子为离因子为2001 000；用于醇、酮、酯、醛的分离因子为；用于醇、酮、酯、醛的分离因子为20200；用于脱除甲醇、乙醇、乙醛的为；用于脱除甲醇、乙醇、乙醛的为520。目前，用目前，用PV技术提取或脱除有机物的主要应用有：技术提取或脱除有

13、机物的主要应用有：1）从废从废水中去除有机污染物，如酚、苯、各种有机酸、酯、卤代烃水中去除有机污染物，如酚、苯、各种有机酸、酯、卤代烃等；等；2）从酒类饮料中回收乙醇；从酒类饮料中回收乙醇；3）从果汁、饮料中回收芳从果汁、饮料中回收芳香物质，包括酯类、醛类和一些烃类。香物质，包括酯类、醛类和一些烃类。渗透汽化的应用渗透汽化的应用( (续续) )27Once-through pervaporation system design. This design is most suitable for removal of VOCs with modest separation factors for which concentration polarization is not a problem2829Methods of integrating pervaporation membranes in the recovery of methanol from the MTBE produ