（化学工程与技术专业论文）中空纤维膜器内青霉g的传质行为研究.pdf

学位论文数据集 幽删删嗍f i 删j i j j j 埘 f y 18 7 7 1 。7 中图分类号 t i 砷2 8 4 学科分类号 5 3 0 2 1 5 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 l 0 0 3 8密级 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 高磊 学号 2 0 0 8 0 0 0 0 3 8 获学位专业名称化学工程与技术获学位专业代码 0 8 1 7 0 0 课题来源国家自然科学基金研究方向传质与分离 论文题目 中空纤维膜器内青霉素g 的传质行为研究 关键词 中空纤维膜器，青霉素g ，壳程非理想性，传质模型，提取率 论文答辩日期论文类型 l 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名 职称 工作单位学科专长 指导教师任钟旗副教授北京化工大学 评阅人l张卫东教授北京化工大学 评阅人2李群生教授北京化工大学 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席郭锴教授北京化工大学 答辩委员l邵磊教授北京化工大学 答辩委员2文利雄教授北京化工大学 答辩委员3孙巍副教授北京化工大学 答辩委员4 李群生教授北京化工大学 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( 伽1 3 7 4 5 9 ) 嵌学科分类与代码中查 询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 中空纤维膜器内青霉素g 的传质行为研究 摘要 中空纤维膜器是以多孔中空纤维膜丝作为传递介质而实现两相传质 的装置，具有传质比表面积大、分离效率高、操作简单等特点。中空纤维 膜器结构和膜丝的性能对传质过程有着重要的影响。 本研究以青霉素g d o a n a 2 c 0 3 为实验体系，研究了膜溶胀、膜污染、 膜丝长度、膜器内径、装填因子、反萃相青霉素g 、操作方式等对中空纤 维更新液膜过程的影响。 研究结果表明，膜溶胀会使膜丝孔隙率减小，长度增加，膜相阻力增 加，传质系数下降；实验采用青霉素g 水溶液，杂质较少，膜污染对传质 系数的影响较小；随膜器长度不断的增加，传质通量不断下降；随膜器内 径的增加，传质系数呈现先增大后减小的趋势；随着装填因子的增加，传 质通量不断下降；反萃相青霉素g 的浓度和逆并流操作方式对传质系数的 影响不大。 采用测量轴向扩散系数的方法研究了壳程流体流动的非理想性，结果 表明，随流速和装填因子的增加，壳程流体流动的非理想性增加。结合实 验数据，将轴向扩散系数引入到壳程传质关联式中，并验证了传质关联式 的准确性。 以循环操作为基础，对青霉素g 的提取率进行了考察，结果表明，管 程流速对提取率的影响较小，o 2 m o l l 的k h 2 p 0 4 为料液缓冲盐、o 5 m o l l n a 2 c 0 3 和1 o m o l ln a h c 0 3 的混合溶液为反萃缓冲盐时，青霉素g 提取率 北京化工大学硕士学位论文 较高。 关键词：中空纤维膜器，青霉素g ，壳程非理想性，传质模型，提取率 i l 摘要 s t l l d yo nt h em a s s t r a n s f e ro fp e n i c i l l i ngi nt h e h o u o wf i b e rc 0 n t a c t o r a b s t r a c t h o l l o w 肋e rc o n t a c t o ri sa i le q u i p m e n tu s e di nt h em a s s 妇n s f e ro f 锕o p h a s e s ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fl a 玛es u r f i a c ea r e 钆h i g he 伍c i e n c 弘e a s y t h es t m c t u r eo fh 0 1 l o wf i b e rc o n t a c t o ra i l dp e r f o 衄a n c eo f h o l l o wf m e rp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h em a s s 吣f e r p r o c e s s i nm i s 、釉r k ，p e n i c i l l i ng d o a n a 2 c 0 3i sc h o s e na st h ee x p e r i m e n t a l s y s t e m ，t oi l w e s t i g a t et h em e m b r a j l es w e l l i n g ，m e m b 啪ef o u l i n g ，m e m b 啪e l e n g t h ，c o n t a c t o rd i 锄e t p a c k i n gf a c t o r p e i l i c i l l i nc o n c e n t l 砒i o ni nt h e s 呻p i n gp h a s e ，o p e r a t i o nm o d eo nt h em s s 觚s f e ro f h o l l o wf i b e rr e n e w a l l i q u i dm e m b 啪e ( h f r l m ) i tp r o v e dt h a tt h es w e l l i n gc 锄r e d u c em em e m b r a n ep o r e ，i n c r e a s et h e m e n 】i b r a n el e n 舀h ，w h i c hc a ni n c r e a s em er e s i s t a n c eo fm e m b r a n ea n d r e d u c et h em a s st m s f l e rc o e 衔c i e n t 1 l l em e m b r a n e f o u l i n gh a v el i t t l ee 虢c t t om em a s st r a n s f e ro ft 1 1 e s y s t e mw ei i l v e s t i g a t e a st h ei n c r e a s eo f c o n t a c t o rl e n 舒h ，t h em a s st i 独s f e l 。n u xd e c 陀a s e s a st l l e i n c r e a s eo f c o n t a c t o rd i 锄酏e r ，t h em a s st r a n s 向p e r f o 瑚a n c ef i r s ti n c r e a s ea n dt h e n d e c r e a s e a st h ei n c r e a s eo fp a c k i n g 丘i a c t i o n ，t h em a s s 仃a n s f l e rf l u x d e c r e a s e s t h ep e i l i c i l l i ngc o n c e 妇舾l t i o ni nt h es t r i p p i n gp h a s ea i l dt h e i 北京化工大学硕士学位论文 c o n c u r r e n ta n dc o u n t e r c u r r e n to p e r a t i o nh a v es l i g h ti n f l u e n c eo fh f r i ，m p r o c e s s t h em a s st r a n s f 打c o e f j f i c i e n to fs 耐e s 叩e r a t i o ni sl o w e rt h 锄t h e s i n g l eo n e w ea l s oi n v e s t i g a t et h en o n i d e a ln o wi nt h es h e l ls i d eo ft h ec o n t a c t o r t h er e s u l ts h o w e dm a tt h en o n i d e a ln o wo fs h e l ls i d ei r l c r e a s e d 嬲n l e i n c r e a s eo fv e l o c i t ya n dp a c k i n gf a c t o r a c c o r d i n gt om ee x p 嘶m e n t a ld a t a ， t h ea x i a ld i 觚s i o nc o e 珩c i e n tw a si n 们d u c e dt om em a s st r a n s f 醯m o d e l ，t h e a c c u r a c yo f t h et r a n s f e rm o d e l i sv e r i f i e d b a s eo nm eq 忙l i n ge x p e r i m e n t s ，m ee x t r a c t i o nr a t eo fp e n i c i l l i ngi s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sp r o v e dt h a t ，t h ev e l o c i 哆o ft u b es i d eh 嬲1 i t t l e i n n u e n c et ot h ee x 的c t i o nr a t e t h ee x 舰c t i o nr a t ei sl a r g ew i mo 2 m o l l k h 2 p 0 4a sm ef e e d b u f f e rs o l u t i o na n do 5 m o l ln a 2 c 0 3 + 1 o m o l l n a h c 0 3a st l l e 嘶p p i n gb u f f 醯s o l u t i o n k e y w o i 己d s ：h o l l o wf m e rc o n t a c t o r ，p e n i c i l l i nqn o n i d e a lf l o w ，m a s s t r a n s f e rm o d e l ，e x t r a c t i o nr a t e i v 目录 目录 第一章文献综述l 1 1 中空纤维膜器的特点及应用1 1 1 1 中空纤维膜器的定义及特点1 1 1 2 中空纤维膜器的应用研究4 1 2 膜溶胀及膜污染研究概况6 1 2 1 膜溶胀的研究6 1 2 2 膜污染的研究7 1 3 中空纤维器结构参数的研究8 1 3 1 中空纤维膜器装填因子的研究8 1 3 2 中空纤维膜器的放大研究9 1 4 中空纤维膜器传质性能研究9 1 4 1 管程的传质l o 1 4 2 膜相的传质。1 0 1 4 3 壳程的传质。l o 1 5 青霉素g 提取工艺简介1 3 1 5 1 青霉素g 简介1 3 1 5 2 青霉素g 提取工艺介绍1 4 1 5 3 中空纤维更新液膜技术16 1 6 研究的内容及目的意义。1 7 第二章膜溶胀及膜污染对液膜过程传质性能的影响1 9 2 1 概述1 9 2 2 实验部分19 2 2 1 实验试剂及仪器1 9 2 2 2 实验装置及流程。2 0 2 2 3 数据处理方法。2 2 2 3 膜溶胀对膜丝形态及传质性能的影响2 2 2 3 1 溶胀对膜丝结构参数及形态的影响2 2 2 3 2 溶胀对膜器壳程流动状况的影响2 5 2 3 3 溶胀对膜器传质性能的影响2 5 2 4 膜污染对传质性能的影响2 6 2 4 1 膜污染对p ) f 膜器传质性能的影响2 7 北京化工大学硕士学位论文 2 4 2 膜污染对p p 膜器传质性能的影响2 9 2 5 本章小结3 0 第三章中空纤维更新液膜操作条件研究31 3 1 概述3 l 3 2 实验部分。31 3 2 1 实验试剂及仪器。31 3 2 2 实验装置及流程31 3 2 3 数据处理方法3 2 3 3 膜器长度对青霉素提取过程的影响：3 3 3 4 膜器内径对青霉素提取过程的影响3 4 3 5 膜器装填因子对青霉素提取过程的影响3 6 3 6 反萃侧青霉素浓度对传质性能的影响3 7 3 7 逆并流操作对传质性能的影响3 8 3 8 串联操作对传质性能的影响3 9 3 9 本章小结4 0 第四章中空纤维更新液膜壳程传质的研究4 l 4 1 概述4 1 4 2 实验部分4 1 4 2 1 实验试剂及仪器一4 1 4 2 2 实验装置及流程4 1 4 2 3 数据处理方法4 l 4 3 中空纤维膜器轴向扩散系数的研究4 2 4 3 1 流速对轴向扩散系数的影响4 2 4 3 2 装填因子对轴向扩散系数的影响4 3 4 3 3 轴向扩散系数的关联。4 4 4 4 壳程传质关联式的提出4 5 4 5 本章小结4 6 第五章青霉素g 提取效果的优化研究4 9 5 1 概述一4 9 5 - 2 实验部分4 9 5 3 料液缓冲盐浓度的最优化研究4 9 5 4 管程流速的最优化研究5 0 5 5 反萃缓冲盐浓度的最优化研究5 l 5 6 本章小结5 2 第六章结论5 5 目录 参考文献5 6 驾c 谢6 3 研究成果及发表论文6 5 i 目录 c o n t e n t s p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1a p p l i c a t i o no f h o l l o wf i b 骰c o n t a c t o r l 1 1 1d e f i n i 缸o n 锄df e a t u r eo fh o l l o wf i b e rc 0 i n l 孤辔0 吼：。l 1 1 2a p p l i c a t i o no fh o l l o w 助e rc o n t a c 瞬4 1 2m 伽1 b 啪es w d l i n g 觚dm 翎曲船n e 如u l i n g 6 1 2 1r e s e 疵ho f m e n l b r a n es w e l l i n g 6 1 2 2r c s e c ho f m e i 】 1 b r 趾ef b u l i n g 。7 1 3s 仃u c l ：u r eo f h o l l o wf i b e rc o n t a 日b o r 8 1 3 1r 鹤e 锄c ho f p a c l ( i n gf a c t o r 8 1 3 2r 懿e a r 吐o f l 髓g ma n di n s i d ed i 锄e t 盱9 1 4t h em a s st r a n s f e fo f h o l l o wf i b e ro o n t 卸c t o r 9 1 4 1t h em a s sn 榔f b ri n l et l i b es i d e 一1o 1 4 2t h em a s s 的n s f 打i l ln l em e i ：n b r 锄e 10 1 4 3 n l em 觞sm m s 蠡e ri nm es h e l ls i d e 10 1 5h l 岫c t i o no fp 锄i c i l l i i lg 13 1 5 1 枞c t i o no f p 锄i c i l l i i lg 1 3 1 5 2h l t m d u c t i o no f p 饥i c i l l i ng se x 慨t i o n 1 4 1 5 3h o h o w 重b 盯r e i l e w a ll i q u i dm 蜘曲r a i 峙16 1 6p u r p o s e 觚ds i 嘶f i c 觚c co f l i sw o r k 1 7 c h a p t e r 2e f f e c to fs w e u i n ga n df o u l i n gt 0t h em a s st r a n s f e r 1 9 2 1h l 缸d ( 1 u c t i o n 。19 2 2e x p e r i m e l l t l9 2 2 1r e a g 眦砒l da p p a r a t l l s 1 9 2 2 2e q u i p m e n t 趾dn o w 2 0 2 2 3d a t ap r o c e s s i n g 2 2 2 3e f i 、e c to fs w e l l i n gt o 廿l em 嬲s 饥m s f 打2 2 2 3 1e 虢c to f s w e l l i n gt 0n l es 协l c t u r co f l l o l l o w6 b 盯2 2 2 - 3 2e 娲c to f s 、阳l l i l l gt 0 1 en o ws t a t u si 1 1m es h e ns i d e 2 5 2 3 3e 位c to fs w e l l i i 培t o l em 硒s 仃雒s f 打2 5 2 4e 毹c to ff o u l 谊gt 0 m a s s 仃a n s 向2 6 北京化工大学硕士学位论文 2 4 1e f r e c to ff b u l i n gt 0t h em 嬲s 觚f ho fp v d fc 0 呲a c t o r 2 7 2 4 2e 虢c to f f o u l i i l gt 0 廿1 cm 嬲s 打a 璐f c ro f p pc o n t a c t o r 2 9 2 5c h a p t e rc o n c h 硌i o n 3 0 c h a p t e r 3r e s e a r c ho fo p e r a t ec o n d i t i o no f h f i 也m 3 1 3 1h l 缸o d u c t i o n 3 l 3 2e x p 硎m e i l t 3l 3 2 1r e a ；e n t 锄da p p 锄t 一3l 3 2 2e q u i p m e n ta n dj f l o w 。3l 3 2 3d a t ap r o c e s s i n g 3 2 3 3e f f 融o f l 啦i n 恤h f r l mp f o 淄s 3 3 3 4e 毹c to f d i a m 酏e ri n l eh f r l m p r o c 鹪s 。3 4 3 5e 虢c to fp a c k i n g 矗积饼i nt l l eh f r l m p r o c 鼯s 3 6 3 6e 彘c to f p e l l i c i l l i ng i l lt h es 砸p p i n go f h f r l mp r o c 懿s 3 7 3 7e 彘c to f c o 觚dc 伽【n t 锄骶n ti nm eh f r l mp r o c 髓s 3 8 3 8e 侬赕o f s e r i e si nn l eh f r l m p r o c 销s 。3 9 3 9c h a p t e rc o n c l u s i o n 4 0 c h a p t e r 4m a s st r a n s f e ro fh f r l m i nt h es h e us i d e4 l 4 1h l 臼o d u c t i o n 。4 l 4 2e x p e r i m 咖4 l 4 2 1r 饿u g e n t 锄da p p a r a t 一4 1 4 2 2e q u i p m 耐锄dn o w 4 1 4 2 3d a t ap r o c e s s i i l g 一4 l 4 3r 鹤e a r c ho nt l l ea x i a ld i f m s i o nc o e 伍c i 胁t 4 2 4 3 1e 脯c to fv e l o c i t vt 0t 1 1 ea x i a ld i m 塔i o nc o e 伍c i e n t 4 2 4 3 2e 娲c to f p a c k i n gf a c t o rt om e 戚a 1d i 肋s i o nc o e m c i 咄4 3 4 3 3d a t ap r o c e s s i i l g 4 4 4 4s h e l l s i d ec o l l 7 e l a t i o n 4 5 4 5c h a p t e rc o n c l u s i o n 4 6 c h a p t e r 5r e s r e a c ho nt h ee x t r a c t i o nr a t eo fp e n i c i l l i ng 4 9 5 1i n t r o d u c t i o n 4 9 5 2e 印e f i m a l t 4 9 5 3t h ef i t t e s tb u f f 打s o l u t i o ni l lt l l ef e e ds i d e 4 9 5 4t h e6 t t e s tv e l o c i t yi i lt h et u b es i d e 5 0 5 5t h ef i t t e s tb u 脓s o l u t i o ni nm c 嘶p p i n gs i d e 5 l 5 6c h a p t e rc o n c l u s i o n 5 2 x 目录 c h a p t e r 6c o n c l u s i o n 。一一。一一一一。5 5 l k f b r e n c e 。5 7 a c k n o w l e d g m e n t 。一。一。6 3 r e s e a r c hi i l i n d i n g s & p u b s h e da c a d e l n i ct h e s i s 符号说明 符号说明 传质面积，m ? 料液中青霉素g 初始浓度，m 0 1 l - l 料液中青霉素g 浓度，m 0 1 l - l 反萃相中青霉素g 浓度，m 0 1 l - l k c l 浓度，m o l l - 1 纤维外径，m 纤维内径，m 扩散系数，m 2 一 轴向扩散系数，m 2 一 膜器壳程内径，m 青霉素分子 青霉素酸根离子 料液相青霉素g 的传质通量，m 0 1 m - 2 一 反萃相相青霉素g 的传质通量，m o l m - 2 一 料液相总传质系数，m r 1 膜器长度，m 壳程的流量，m l m i l | _ 1 管程的流量，m l m i i l _ 1 料液相p h 反萃相p h 膜器中纤维数目 枵彳 岛 诉 g c 磊 盔 d 协 m r 以 五 厨 三 厶 所 蛐 溅 疗 北京化工大学硕士学位论文 嘶 f 希腊字母 咖 口 乎 6 r 上标 i i l o u t 管程流速，m 3 r 1 时间，m i l i 装填因子 方差 孔隙率 膜丝壁厚 弯曲因子 进口 出口 x 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 中空纤维膜器的特点及应用 1 1 1 中空纤维膜器的定义及特点 1 1 1 1 中空纤维膜器 中空纤维膜器是指以多孔纤维膜丝为传递介质而实现两相传质的装置，在中空 纤维膜器中进行传质的两相并不是直接混合分散传质，而是在微孔膜表面孔处的两 相界面上相互传质。依据气、液传递相的不同，中空纤维膜器可分为气液型、液 气型和液液型。中空纤维膜器的设计类似于管壳式换热器，不同流体分别流经管程 和壳程，两相通过膜丝进行传质，常见的中空纤维膜器为平行流动，其结构示意图 见图1 1 。 - l _ _ 聊u 谴以 珊 h u 缸舵 o h t m 彝2 腿 图1 1 平行流动的中空纤维膜器结构示意图 f i g l - lp 撒l l e ln o wh 0 i l o w6 b 盯c o n t a c t 叫 - - 聊q 硒棚 o u t 这种两相平行流动的膜器制造工艺简单，传质效率高，对于压力驱动的膜过滤 过程来说，这种结构设计对传质过程十分有利。 平行流动的中空纤维膜器虽然制作工艺简单，但中空纤维膜丝为非刚性材料， 在商业化生产中不可避免地会发生膜器壳程流道分布不均匀的现象，这就会导致传 质系数的下降。c u s s l o i 】认为可以将膜丝编织成织物结构，这种结构能有效改善壳 程流道分布不均的现象。w i c h a m a s i n 曲e 等【2 】采用膜丝编织成织物结构的膜器脱除 水中的氧，他们所用的膜器结构见图1 2 。中空纤维膜丝成螺旋状缠绕在中心管的 外面，中心管中有一个塞子，这个塞子能强迫流体呈放射状流出中心管，使得流体 垂直于膜丝流动，这种流动能有效增大传质效率。 北京化工大学硕士学位论文 图l - 2 带织物结构的中空纤维膜器 f i g 1 2a c 锄t a c t o rc 伽l t a i n i n gh o h o wf i _ b e 岱w m l n dh e k c a l l ya r n dac e n 缸a lc o f e 在溶液浓度差作为驱动力的膜传质过程中，较为常见的为美国c e l g 舢 ml l c 开发的l i q m c e le x 仃a - f l o w 膜器，其结构见图l - 3 。 图1 3l i q u i e le x 仃a f l o w 中空纤维膜器 f i g 1 3t h el i q l l i c e le x 仃a f l o wm e m b m ec o n t a c t o r l i q u i c e le x 胁f l o w 膜器同样采用膜丝编织结构，聚丙烯微孔膜被编织成织状 结构，缠绕在提供壳程流体的中心进料管处，同时，在l i q u i c e le x 胁f l o w 膜器壳 程还添加了一个中央挡板，挡板的加入不仅能有效降低沟流、死区等现象的发生， 而且还能提供一个膜丝表面的错流流动，这种错流流动能大大提高膜过程的传质效 率。 除了上述几种常见的中空纤维膜器外，w 跚g 和c l l s s l 一3 】还提出了双挡板矩形 中空纤维膜器和多挡板柱状中空纤维膜器( 见图l _ 4 和图1 5 ) ，但这些膜器的制作 相对较为复杂，商业应用较少。 2 第一章文献综述 f l u 汹嚣ll _ _ - - _ 图1 - 4 双挡板矩形中空纤维膜器 f 唔1 - 4a 根栅1 9 l l k 锄妣l ec o n t a i n j n g 船ob a m 鹤 图l 巧多挡板柱状中空纤维膜器 f j g 1 - 5af u l l yb a m e dc y l i l 帕r i c a lm o d u l c 1 1 1 2 中空纤维膜器的特点 近年来，中空纤维膜器越来越得到人们的重视，并被广泛应用于和其它技术的 耦合。相对于常规的传质设备，中空纤维膜器有以下几个优点： 1 ) 中空纤维膜器能提供更大的传质比表面积，且传质面积固定； 2 ) 进行传质的两相独立流动，不存在传统塔设备中的液泛、雾沫夹带等不正常 操作现象； 3 ) 中空纤维膜器不要求传质两相有较大的密度差，可用于相同密度的流体间的 传质； 4 ) 中空纤维膜器操作范围宽，可直接进行线性放大，操作简单。 但中空纤维膜器同样存在一些缺点【4 l ，例如： 1 ) 中空纤维膜器中引入了一层膜相，增加了体系的传质阻力，尤其是当膜孔中 3 北京化工大学硕士学位论文 充满液体时； 2 ) 壳程膜丝分布不均匀，流体分布呈现一定的非理想性，影响传质速率； 3 ) 膜溶胀和膜污染影响膜丝结构，降低膜器传质性能； 4 ) 膜材料的劣化会大大降低其使用寿命。 1 1 2 中空纤维膜器的应用研究 尽管中空纤维膜器存在一些缺点，但相对于其优点来说，这些缺点微不足道。 近年来，中空纤维膜器在水处理、气体吸收、药物提取、湿法冶金及医学等多个领 域得到了较为广泛的研究，并在一些领域内获得了成功的应用。 1 1 2 1 水处理方面的应用 中空纤维膜器在水处理和水回收领域的应用较为成熟，目前已广泛应用于市政给 水、化工污水处理及海水淡化等领域。英国1 1 玳ev 甜l e y sw a t e r 公司在2 0 0 1 年建立了当 时世界上最大的超滤水处理厂，该厂采用长度为1 5 m ，内径为0 2 m 的内压式中空纤维 超滤膜组件，产水能力可达1 6 1 0 5m 3 d ，能够为周边7 5 万人提供生活用水，这套超滤 水处理系统不仅具有巨大的经济效益，而且还具有非常重要的社会与环境效益【5 1 。 2 0 0 0 年建成的新加坡务德区中水回用示范项目采用了连续膜过滤技术和反渗透 系鲥嗣。与传统老三段处理后的水相比，直接用连续膜过滤技术处理的污水水质更好， 完全能够满足一般绿化、冲厕的要求。天津开发区2 5 万讹中水回用工程运用集成膜技 术处理开发区污水厂的二级生化处理水，以p v d f 中空纤维膜为核心进行初步深度处 理，再进入反渗透膜进行深度处理，使之达到满足绿化、工业生产、地下水回灌的水 质标准，为开发区提供重要水源【7 】o 在海水淡化领域，天津市建立了千吨级反渗透海水淡化工程，该工程的深度预处 理部分采用高抗污染聚偏氟乙烯中空纤维膜组件，可有效去除细菌、微生物和悬浮物 等杂质，产水水质高并且稳定，有利于延长反渗透过程中膜的使用寿命。在国外，采 用膜技术处理的海水淡化工程日益增多，比较有代表性的为美国的h y d 俐栅m c s 超滤 反渗透系统淡化墨西哥湾海水，结果表明，超滤膜和反渗透膜过程结合可以延长膜清 洗的周期，降低膜更换率，水收益明显增加。 1 1 2 2 气体吸收方面的应用 膜吸收是将膜技术与传统气体分离、物理吸收、化学吸收等技术结合起来的一种 新型分离技术。自1 9 8 5 年q i 和c u s s l 一8 ，9 】首先提出将其用于工业应用的可能性后，这 项技术得到了迅速的发展。目前，膜吸收技术已经广泛应用于酸性气体脱除、氢气回 收、天然气净化等领域。 4 第一章文献综述 金美芳等【l o 】采用聚丙烯中空纤维膜组件脱除尾气中的s 0 2 ，结果表明，以质量分 数为2 的n a o h 为吸收液，尾气中s 0 2 的脱除率可达到9 5 以上。朱宝库等【“】用聚丙 烯中空纤维膜器吸收c o l 2 n 2 中的c 0 2 ，分别采用单乙醇胺吣) 、二乙醇胺( d e a ) 和 n a o h 处理混合气中的c 0 2 ，脱除率可达9 5 9 9 5 在合成氨生产过程中，驰放气在回收氨后氢气含量达5 0 5 7 ，美国的m o n s a i l _ t 0 公司在2 0 世纪7 0 年代开发的中空纤维膜气体反应器【1 2 】用于合成氨驰放气中的氢气回 收，结果可使能耗下降5 2 2 8 3 6 k j t ，合成氨增产4 。在国内，柳化合成氨厂采用中空 纤维膜吸收技术回收、提纯合成放空气中的氢气，该技术能有效富集放空气中的氢气， 具有能耗低、投资省、占地小、操作方便等优点。 未经处理的天然气含有不同数量的c 0 2 、h 2 s 、n 2 和h 2 0 等杂质气体，j 锄s 饥等【1 3 j 采用膜吸收装置对天然气中的杂质进行处理，当气、液间的压差为5 0 5 0 0l 【p a 时，膜 吸收法可有效脱除c 0 2 、h 2 s 、h 2 0 等杂质气体。 百事可乐公司成功运用中空纤维膜吸收技术进行自由鼓泡膜基碳酸化生产，它们 采用大型l i q u i c e l 商业中空纤维膜器，膜器的总面积达1 9 3 m ? ，设备的饮料生产量可 达1 1 2g a l m j n 。与其它碳酸化技术相比，膜技术具有泡沫少、产量高、低压力等优点 【1 4 1 5 1 。l i q u i c c l 商业膜器同样还应用于啤酒生产领域，一些酿酒厂用中空纤维膜器去 除水中的氧气，这些去氧水可以用来稀释啤酒，使啤酒维持一定的酒精度。 1 1 2 3 液液萃取方面的应用 膜萃取技术是将中空纤维膜技术与传统液液萃取技术相结合的一种新型分离技 术，膜萃取技术已被广泛应用于废水中金属离子的去除、药物提取、手性物质拆分等 领域。鼬m 【1 6 】以嗽6 4 c u 2 + - h 2 0 为体系，采用中空纤维膜器研究了膜萃取对c u 2 + 的分 离效果，结果表明，利用膜萃取的方法可以有效地减少溶剂的夹带损失，对c u 的分 离效果较好。c 0 0 n e y 等【1 7 】以中空纤维膜器为分离设备，以甲基异丁基酮等多种溶剂为 萃取剂对苯酚稀溶液中苯酚的去除进行了研究，实验结果表明，溶剂的种类、料液的 流速和体系的p h 值等操作参数对苯酚的分离效果有较大的影响。s a l l o o 等【1 8 】采用中空 纤维膜器萃取、提纯头孢菌素，结果表明，该体系具有较高的传质系数和溶质回收率， 将膜萃取技术应用于稀释溶液中头孢菌素的回收有较好的前景。r e e d 等 挎】对中空纤维 膜萃取技术进行了中试规模的研究，实验采用3 个面积为2 3 i n 2 的l i q u i c e l 膜器从废水 中提取芳香族化合物，经过处理后废水中污染物可降到l op l 以下，该实验装置成功 运行了三个月，各项数据也表明在芳香族化合物的提取中，膜萃取是一项很有竞争力 的技术。 1 1 2 4 其它方面的应用 在医学领域，医用膜材料被列为新型生物医学材料，膜式医疗器械被列为相应的 。 5 北京化工大学硕士学位论文 人工器官。中空纤维膜式血液透析器( 人工肾) 具有膜面积堆砌密度高、结构紧凑、 性能可靠、使用方便、价格便宜等优点，受到了患者的欢迎。受血液透析器的影响， 人工肺、人工肝、血液浓缩器、血液分离器等一系列中空纤维膜式人工器官及医疗器 械应运而生，目前，这些膜技术在医学领域发挥着极为重要的作用。 在手性物质拆分方面，d 岫 等【2 0 御崃用含有n n 十二烷基l 羟基脯氨酸的正辛醇 溶液从外消旋混合物的水溶液中选择性提取d 亮氨酸。研究结果表明，两种亮氨酸对 映体几乎可以完全分离，并且建立的模型可以很好的预测实验结果。 除了上述几种膜应用外，中空纤维膜器还被广泛应用于半导体生产、渗透精馏、 生物发酵和酶转化等过程。 1 2 膜溶胀及膜污染研究概况 1 2 1 膜溶胀的研究 中空纤维膜技术虽然有很多优点，但纤维材料多为聚丙烯、聚偏氟乙烯等高分子 聚合物，所以在应用到具体涉及液体的过程时( 例如膜萃取、液膜过程) ，膜材料常 发生溶胀现象。这种现象不仅会使膜丝的结构发生很大变化，影响传质过程的稳定性， 降低传质系数，而且长期操作还能显著降低膜材料的机械性能，减少使用寿命。膜溶 胀是在膜操作中由于有机溶剂的小分子渗入到膜材料大分子间，使膜材料分子的分子 链伸展而引起膜材料宏观和微观结构发生变化的一种现象瞄】。有机试剂对膜材料的浸 润及溶胀是许多膜过程未实现工业化的一个重要原因，因此溶胀对膜过程的影响具有 十分重要的研究意义。 骆广生等【2 3 】研究了多种常用溶剂对致密膜和微孔膜结构及传质的影响，结果表明 接触角可以较好地反映有机试剂对膜的浸润性能，有机溶剂会使各种膜都产生一定程 度的溶胀，其中微孔膜的溶胀现象要比致密膜明显。陈飞等瞄】观察了溶胀前后中空纤 维膜丝表面和断面形态、膜孔道弯曲状况等微观结构的变化。结果表明，溶胀会使中 空纤维膜丝孔隙率减小，膜孔径变小，弯曲因子增大。此外，他们还以苯胺萃取为实 验体系，研究了溶胀对传质性能的影响，结果证明溶胀能使纤维膜阻增加，膜器的传 质性能随溶胀时间的增加而下降。张卫东等【2 4 】以3 0 t b p ( 煤油) 苯酚水为实验体系， 系统地研究了溶胀性能对总传质系数、中空纤维膜厚度、内径以及壳程流动状况的影 响，结果表明，中空纤维膜丝在有机溶剂作用下发生溶胀后，其膜厚度和膜的内径并 未发生明显的变化，但中空纤维膜的长度会因此而增大，这种长度的增大能使中空纤 维膜弯曲并相互靠在一起，使其丧失了有效传质面积，减