（环境工程专业论文）膜气体吸收减压膜蒸馏组合工艺处理含苯废气的研究.pdf

m d d i s s e r t a t i o n s t u d yo nt h er e m o v a lo fb e n z e n ef r o m w a s t eg a su s i n gm e m b r a n e - b a s e dg a s a b s o r p t i o na n dd e c o m p r e s s i o nm e m b r a n e d i s t i l l a t i o nc o m b i n e dp r o c e s s b y 耽m s u p e r v i s e db ya s s o c i a t ep r 吐x i u y u ns u n n a n j i n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y m a r c h ，2 0 1 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 星二阳年弓月r ，日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：墅二w 年；月f 7 日 硕士论文 膜气体吸收减压膜蒸馏组合工艺处理含苯废气的研究 摘要 论文以c 6 h 6 n 2 混合气体为研究体系，以亲水性有机溶剂n 一甲酰吗啉( n f m ) 水 溶液为吸收剂，疏水性多孔聚丙烯中空纤维膜组件为反应器，并自行设计实验装置， 开展了膜气体吸收一减压膜蒸馏组合工艺净化含苯废气的研究。研究内容主要包括膜气 体吸收一减压膜蒸馏工艺研究、膜孔润湿对膜组件传质性能的影响及该组合工艺工业化 推广的研究。 利用膜气体吸收实验装置，开展了膜气体吸收技术净化含苯废气工艺的研究，分 析了含苯废气的流量、浓度，吸收剂的流量、浓度、初始温度和负载，运行方式和膜 组件结构等参数对苯去除效率和总体积传质系数的影响，并考察了由于膜两侧压差等 因素所引起的膜孔润湿对膜组件运行稳定性的影响。研究结果表明：在含苯废气流量 为5 0 3 0 0 m l m i n ，含苯废气浓度为1 7 1 0 1 m g l ，吸收剂流量为1 5 7 5 m l m i n ， 吸收剂中n f m 体积分数为4 0 ，吸收剂初始温度为1 0 3 7 ，吸收剂负载为7 0 3 7 0 3 m g - l 。的条件下，采用管程运行方式，膜组件封装分率为5 5 6 时，苯的去除率为 4 4 1 9 9 3 ，总体积传质系数为0 0 0 7 0 0 7 4 s ；膜组件连续运行6 0 h 仍具有较好的 稳定性；膜两侧的压差对膜孔润湿影响较大，且膜组件在膜孔完全润湿时的总体积传 质系数仅为膜孔非润湿时的5 0 左右。 利用减压膜蒸馏实验装置，开展了减压膜蒸馏技术再生含苯吸收剂工艺的研究， 分析了含苯吸收剂的流量、浓度、温度和负载，冷侧真空度和膜组件结构等参数对再 生效率和苯通量的影响。研究结果表明：在含苯吸收剂流量为1 0 9 0 m l r a i n ，含苯 吸收剂中n f m 体积分数为4 0 ，含苯吸收剂初始温度为2 5 3 7 ，含苯吸收剂负载 为0 2 5 1 0 9 l ，冷侧真空度为0 3 0 9 m p a ，膜组件封装分率为5 5 6 的条件下，吸 收剂再生效率为8 1 9 9 3 ，苯通量为0 2 8 1 1 0 一m g c m - l m i n 。 以小试实验数据为依据，研究开发了膜气体吸收减压膜蒸馏组合工艺中试装置， 并考察其运行情况。实验结果表明：吸收剂流量为3 0 0 m l m i n 。，含苯废气流量为 1 0 0 0 m l m i n 。时，苯的去除率能达到9 5 以上。 关键词：有机废气；膜气体吸收：减压膜蒸馏；中空纤维膜组件；膜润湿；中 试装置 硕士论文膜气体吸收减压膜蒸馏组合工艺处理含苯废气的研究 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , u s i n gc 6 h 6 n 2g a sm i x t u r ea st h er e s e a r c hs y s t e m ，w i t hah y d r o p h i l i c o r g a n i cs o l v e n tn - f o r m y l m o r p h o l i n e ( n f m ) a q u e o u ss o l u t i o na st h ea b s o r b e n t ，p o r o u s h y d r o p h o b i cp o l y p r o p y l e n eh o l l o wf i b e rm e m b r a n er e a c t o r , a n dp r o c e s se x p e r i m e n td e v i c e ， d e v e l o p e dm e m b r a n eg a sa b s o r p t i o n - v a c u u n lm e m b r a n ed i s t i l l a t i o nc o m b i n e dp r o c e s sf o r p u r i f i c a t i o no fw a s t eg a sc o n t a i n i n gb e n z e n er e s e a r c h t h e r e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e m e m b r a n eg a sa b s o r p t i o n - v a c u u mm e m b r a n ed i s t i l l a t i o n ，m e m b r a n ep r o c e s sp r o p e r t i e s r e s e a r c hf o rm e m b r a n ew e t t i n gm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c ea n dt h ee f f e c to ft h ec o r n b i n e d p r o c e s so fi n d u s t r i a l i z a t i o np r o m o t i o nr e s e a r c h m e m b r a n eg a sa b s o r p t i o np r o c e s si ns e l f - m a d ee x p e r i m e n t a ld e v i c e ，w i t hn f m s o l u t i o na st h ea b s o r b e n t ，p o l y p r o p y l e n eh o l l o wf i b e rm e m b r a n ea s s e m b l yf o rg a s ，l i q u i d m e m b r a n ec o n t a c t o r , l a u n c h e dam e m b r a n eg a sa b s o r p t i o np u r i f i c a t i o no fw a s t eg a s c o n t a i n i n gb e n z e n ep e r f o r m a n c er e s e a r c h ，a n a l y s i so fg a s ，l i q u i d ，g a sf l o w , l i q u i di n l e t c o n c e n t r a t i o n ，i n i t i a lt e m p e r a t u r eo fa b s o r p t i o nl i q u i d ，a b s o r p t i o nl i q u i dt h ec o n c e n t r a t i o no f n f m ，o p e r a t i o nm o d ea n dm e m b r a n em o d u l es t r u c t u r eo fo p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha s b e n z e n er e m o v a le f f i c i e n c ya n dt o t a lm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n te f f e c t t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ：i nt h ea b s o r b e n tn f m4 0 v o l u m ef r a c t i o n ，g a sp h a s ef l o wi n5 0 - 3 0 0 m l m i n - 1 ， l i q u i dp h a s ef l o wu n d e rt h ec o n d i t i o no f15 - 7 5 m l m i n ，d e a l i n gw i t ht h ec o n c e n t r a t i o no f 1 7 - 10 1 m g l c 6 h 6 n 2m i x e dg a s ，b e n z e n er e m o v a lr a t e sf o r4 4 1 - 9 9 3 ，t o t a l v o l u m e t r i cm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n to fo 0 0 7 0 0 7 4 s 1 i na d d i t i o n ，t h ec o n t i n u o u so p e r a t i o n o fe x p e r i m e n t ，m e m b r a n eg a sa b s o r p t i o np r o c e s sh a sh i g hs t a b i l i t ya n dm a n e u v e r a b i l i t y i nas e l f - m a d ev a c u u mm e m b r a n ed i s t i l l a t i o np r o c e s se x p e r i m e n t s ，c a r r i e do u t m e m b r a n eg a sa b s o r p t i o ne x p e r i m e n tn f ma b s o r b e n tr e g e n e r a t i o ne x p e r i m e n t ，a n a l y s i so f o p e r a t i o nt i m e ，t h ef l o wr a t eo ft h ef e e d ，t h ef e e dt e m p e r a t u r e ，d e g r e eo fv a c u u mo f t h ec o l d s i d ea n dm e m b r a n em o d u l es t r u c t u r eo fo p e r a t i o np a r a m e t e r ss u c ha st h er e g e n e r a t i o n e f f i c i e n c ya n dm e m b r a n ef l u x i nt h en f mv o l u m ef r a c t i o no f4 0 ，a b s o r b e n tf l o wi n 1 0 9 0 m l m i n ，b e n z e n ec o n c e n t r a t i o ni s0 2 5 - 1 0 9 l 一，a ni n i t i a lt e m p e r a t u r eo f 2 5 - 3 7 ， c o l dv a c u u md e g r e e0 3 - 0 9 m p ac o n d i t i o n ，t h ea b s o r b e n tr e g e n e r a t i o ne f f i c i e n c yo f 8 1 9 9 3 ，m e m b r a n ef l u xi s0 2 8 1 x l o m g c m 2 m i n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a t ：t h ev a c u u mm e m b r a n ed i s t i l l a t i o nf o rb e n z e n ei na q u e o u ss o l u t i o no fn f mw i t hh i g h e r r e g e n e r a t i o ne f f i c i e n c ya n dm a s st r a n s f e rf l u x i i i a b s t r a c t 硕士论文 m e m b r a n eg a sa b s o r p t i o nt e c h n o l o g yi nt r e a t m e n to fw a s t eg a sc o n t a i n i n gb e n z e n e ， l a u n c h e dt h ef i l mw e t t i n go nm e m b r a n em a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c eo f c o m p a r i s o no f m e m b r a n eh o l ef i l l i n ga n df u l li n f l a t i o nu n d e rt h et w oc o n d i t i o n so ft h em e m b r a n e sm a s s ， a n dt h ea n a l y s i so ft h et w os i d e so ft h em e m b r a n e ，s o l u t i o ng a sp r e s s u r el o a da n d t e m p e r a m r eo nm e m b r a l l ee f f e c to fk o n gr u n s h i t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：f i l m h o l ef i l l i n gw h e nt h et o t a lv o l u m e t r i cm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n tw a so n l yf u l l yi n f l a t e db y a b o u t5 0 ，t w os i d e so ft h em e m b r a n ea n dg a sp r e s s u r eo nm e m b r a n ek o n gr u n s h ie f f e c t s w e r el a r g e r , a ni n c r e a s i n gl o a da n da b s o r b e n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，w i l ll e a dt om o r e e a s i l yw e t t i n gf i l mh o l e t a k i n ge x p e r i m e n td a t aa st h eb a s i s ，t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fs m a l lm e m b r a n e g a sa b s o r p t i o nm e m b r a n ed i s t i l l a t i o n c o m b i n e dp r o c e s sp i l o tp l a n t ，a n dt h ee f f e c t so f o p e r a t i o nc o n d i t i o n s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t ：t h ef l o wo fa b s o r b e n tf o r 3 0 0 m l m i n b e n z e n ee x h a u s tf l o w1 0 0 0 m l m i n 。，b e n z e n er e m o v a lr a t ec a nr e a c h9 5 k e yw o r d s ：o r g a n i cw a s t eg a s ；m e m b r a n eg a sa b s o r p t i o n ；v a c u u mm e m b r a n e d i s t i l l a t i o n ；h o l l o wf i b e rm e m b r a n e ；m e m b r a n ew e t t i n g ；p i l o tp l a n t i v 顾士论文膜气体吸收- 减压膜蒸馏组合工艺处理含苯废气的研究 目录 摘要i a b s t r a e t i i i 1 绪论1 1 1 引言1 1 2v o c s 处理方法概述1 1 3 膜分离技术概述1 1 - 3 1 国内外膜分离技术发展概况一1 1 。3 。2 膜分离技术的工业应用2 1 4 膜气体吸收技术一3 1 4 1 膜气体吸收技术简介3 1 4 2 膜气体吸收技术的主要研究方向一3 1 4 3 膜气体吸收技术的应用6 1 5 减压膜蒸馏技术一7 1 5 1 减压膜蒸馏技术简介一7 1 5 2 减压膜蒸馏技术脱除溶液中v o c s 的研究现状7 1 6 课题的选题意义与研究内容7 1 6 。1 选题意义7 1 6 2 研究内容8 2 膜气体吸收技术处理含苯废气性能研究。9 2 1 理论部分9 2 1 1 膜气体吸收技术基本原理9 2 1 2 n f m 溶液对苯的吸收机理，9 2 2 实验部分1 0 2 2 1 实验材料1 0 2 2 2 实验装置及流程1 1 2 2 3 实验数据处理1 3 2 3 实验结果与讨论1 3 2 3 1 含苯废气流量对分离效果的影响1 3 2 3 2 含苯废气浓度对分离效果的影响1 4 2 3 3 吸收剂流量对分离效果的影响，1 5 v 目录硕士论文 v i 2 3 4 吸收剂中n f m 体积分数对分离效果的影响1 6 2 3 5 吸收剂温度对分离效果的影响1 7 2 3 6 吸收剂负载对分离效果的影响1 8 2 3 7 膜组件封装分率对分离效果的影响1 9 2 3 8 膜组件高径比对分离效果的影响2 0 2 3 9 运行方式对分离效果的影响2 1 2 3 1 0 膜组件运行稳定性考察一2 2 2 3 11 膜孔润湿对膜组件传质性能的影响一2 2 2 4 本章小结2 4 3 减压膜蒸馏技术再生吸收剂性能研究。2 5 3 1 理论部分2 5 3 1 1 减压膜蒸馏技术基本原理2 5 3 1 2 减压膜蒸馏过程的影响因素2 5 3 2 实验部分2 5 3 2 1 实验材料2 5 3 2 2 实验装置及流程2 6 3 2 3 实验数据处理2 6 3 3 实验结果与讨论2 7 3 3 1 操作时间对再生性能的影响2 7 3 3 2 吸收剂流量对再生性能的影响2 8 3 3 3 吸收剂温度对再生性能的影响2 9 3 3 4 吸收剂中苯浓度对再生性能的影响3 l 3 3 5 冷侧真空度对再生性能的影响3 2 3 3 6 膜组件高径比对再生性能的影响3 3 3 3 7 膜组件封装分率对再生性能的影响3 4 3 4 本章小结3 5 4 膜气体吸收- 减压膜蒸馏组合工艺中试装置的设计与设备调试。3 7 4 1 装置设计说明3 7 4 1 1 设计背景与意义3 7 4 1 。2 设计依据3 7 4 1 3 设计原则3 7 4 1 4 设计图3 8 4 2 装置制作及安装3 9 硕士论文 膜气体吸收减压膜蒸馏组合工艺处理含苯废气的研究 4 2 1 装置安装图3 9 4 2 2 装置设备明细4 1 4 - 3 扩大实验及装置调试4 l 4 - 3 1 含苯废气流量对苯去除率的影响4 1 4 3 2 吸收剂流量对苯去除率的影响4 2 4 4 本章小结4 3 5 结论与展望4 4 5 1 结论4 4 5 2 展望4 5 致谢4 6 参考文献4 7 v 1 i 硕士论文 膜气体吸收一减压膜蒸馏组合工艺处理含苯废气的研究 1 绪论 1 1 引言 挥发性有机化合物简称v o c s ( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ) ，它主要来自石油化 工、涂料、医药等行业，一般作为溶剂使用后散发到空气中，这样不仅会污染环境， 还会危害人体健康【1 2 】，如苯类化合物，人体如果摄入过多，它会损害人的中枢神经系 统和造血器官p j 。 考虑到挥发性有机化合物的危害性，许多国家己经制订法律条例，严格控制废气 中有机污染物的排放，同时要求各企业排放污染物达到相关标准。1 9 7 0 年美国颁布了 空气洁净法，其中涉及到v o c s 的减排【4 。日本1 9 9 6 年颁布了相关法律法规，明 确了5 3 种v o c s 的排放标准，2 0 0 2 年又进一步明确了1 4 9 种v o c s 的排放标准【5 j 。 我国制订的中华人民共和国大气污染防治法，要求有效处理工业生产过程中产生 的有毒有害气体，并对可燃性气体进行回收利用【6 j ；还制订了中华人民共和国大气 污染物综合排放标准，规定了1 3 种有机污染物的排放标准【7 】。这些都要求有机废气 处理技术应进一步完善。 1 2v o c s 处理方法概述 目前，v o c s 的处理方法主要分为两大类，第一类是转化技术，即将v o c s 转变 成无毒无害的物质c 0 2 和h 2 0 ，主要包括燃烧法、光催化氧化法、生物法等；第二类 是回收技术，即将废气中v o c s 分离出来进行回收再利用，主要包括吸收法、吸附法 和冷凝法等。这些传统的处理方法均有各自的优势，但或多或少都会存在一些不足， 如燃烧法能耗较高，易产生二次污染【8 】；生物法只适合处理低浓度废气，且对气流速 度、温度、p h 值等操作参数要求较高 9 1 ，国外对采用生物法处理含甲苯有机废气的研 究较多【1 0 , 1 1 】；吸附法处理设备复杂、运行费用高、易形成二次污染等，这也限制了吸 附法的工业化应用【坦l ；吸收法存在的主要问题是：某一种吸收剂一般只能吸收一类 v o c s ，不能同时吸收多种v o c s ，而且吸收剂需要经常更换，运行费用较高【l 引。这些 传统技术的不足促进了具有更大优势的新技术的发展。 1 3 膜分离技术概述 1 3 1 国内外膜分离技术发展概况 1 7 4 8 年，a b b en o l l e t 在实验中发现水可以透过猪的膀胱，从而发现了渗透现象， 但之后很长的一段时间人们并没有进行更多的研究，直到1 9 世纪中叶，g r a h a m 又在 实验中发现了透析现象，人们逐渐重视起膜分离现象，并开始进行了大量研究1 4 1 。 1 绪论硕士论文 膜分离技术的发展始于二十世纪5 0 年代离子交换膜的开发和6 0 年代反渗透膜的 出现【l5 1 。膜分离技术的发展历史可归纳为：3 0 年代微孔过滤；4 0 年代透析；5 0 年代 电渗析；6 0 年代反渗透；7 0 年代超滤和液膜；8 0 年代气体膜分离；9 0 年代渗透汽化。 另外，以膜分离为基础发展起来的各种新的分离过程，以及与膜分离相结合而形成的 组合工艺等也得到了迅速的发展 1 6 。 我国膜分离技术的发展起源于上个世纪6 0 年代，但由于受到基础工业的限制，膜 分离技术的发展非常缓慢，直到上个世纪7 0 年代，基础工业的进步才带动了我国膜工 业的进一步发展，且早期主要应用于电子和半导体的制作，到8 0 年代以后，膜分离技 术应用的范围逐渐扩大，9 0 年代起才逐渐普及到饮用水和纯水等方面。如今，中国膜 工业和膜技术已经进入一个蓬勃发展的时期，其应用范围正在迅速扩大，如在食品、 医药、环境等领域的应用越来越广泛 1 7 , 1 8 】。 1 3 2 膜分离技术的工业应用 工业上常用的膜分离技术及特性 1 9 如表1 1 所示。 工业上常用的膜分离装置可根据所用膜的形状分为5 类：管式、板式、卷式、中 空纤维式和旋叶式动态膜分离装置 2 0 】。 表1 1 工业上常用膜过程及特性 硕士论文 膜气体吸收减压膜蒸馏组合工艺处理含苯废气的研究 1 4 膜气体吸收技术 1 4 1 膜气体吸收技术简介 膜气体吸收技术( m e m b r a n e b a s e dg a sa b s o r p t i o n 简称m g a ) 是将膜分离技术与 传统的气体吸收技术相结合而形成的一种新型的分离技术。气体渗透过程中，膜两侧 的物相相同，以膜两侧的压差为传质推动力，利用膜本身所具有的选择性，选择所需 要的组分进行分离，分离机理是溶解扩散机理【2 l j ；而膜气体吸收过程中，分离膜的两 侧物相不同，一侧为气相，另一侧为液相，以膜两侧组分浓度差为传质推动力，利用 吸收剂的选择性吸收对需要的组分进行分离，膜起到分隔气液两相及传质通道的作用。 近年来，膜气体吸收技术受到国内外研究者的广泛关注，它具有以下诸多有点： ( 1 ) 气液两相不直接接触，这样就避免了传统气体吸收过程中普遍存在的液泛、 沟流和起泡等现象。 ( 2 ) 膜将气液两相进行隔离，气液两相的流动互不干扰，气液流速操作较为灵活， 因此气液两相的流量控制范围更大幽j 。 ( 3 ) 气液传质面积可以通过有效膜面积进行准确的计算，而传统气液传质设备的 气液传质面积一般都无法得到准确值。 ( 4 ) 膜组件结构简单，更容易预测其传质性能。 ( 5 ) 更加经济。膜气体吸收过程中，膜组件持液量低，运转过程中吸收剂用量较 小，这对于需要使用昂贵吸收剂的体系更加有利于节约成本；而且膜组件易于线性放 大，且结构简单，体积小，更易于工业化推广应用 2 3 , 2 4 1 。 1 4 2 膜气体吸收技术的主要研究方向 膜接触器最早应用于医疗上的血液充氧过程，1 9 8 5 年，z h a n g 和c u s s l e r l 2 5 , 2 6 j 最早 提出膜接触器工业应用的可行性，随后膜气体吸收技术得到了广泛的关注。在实际操 作过程中，由于中空纤维膜式膜接触器具有成本低、操作简单、有效膜面积大等诸多 优势，所以其最具应用前景，这也使得膜气体吸收技术在酸性气体( c 0 2 ，h 2 s ) 分离 方面的研究得到国内外学者的广泛关注，并进行了大量研列2 7 2 圳，其中对于c 0 2 的分 离回收方面的研究内容主要包括工艺性能、吸收剂的选择、膜材质的选择及传质机理 等。近年来，随着国外膜气体吸收技术的迅速发展，国内许多学者也开始采用膜气体 吸收技术处理酸性气体的研究 2 9 , 3 0 1 。目前，利用膜气体吸收技术处理有机废气的研究 处于刚刚起步阶段，国内外相关研究还比较少，但其在酸性气体治理方面的研究可为 其在有机废气治理方面提供一些经验。 1 4 2 1 工艺条件的研究 膜气体吸收过程的吸收效率和分离效果受到很多工艺条件上的影响，主要包括进 口气流量、进口气浓度、吸收剂流量、吸收剂浓度、吸收剂初始温度、吸收剂负载、 1 绪论硕士论文 气液相流动方式、膜组件结构、膜组件的封装分率及膜材料孔隙率等，目前对气液两 相相关的工艺条件研究较多，如李睿 3 1 】等研究了实验中操作参数对膜气体吸收技术净 化混合气中的苯传质性能的影响。 1 4 2 2 吸收剂的筛选 吸收过程中吸收剂的选择至关重要，吸收剂的性质很大程度上决定了吸收过程的 吸收效果和快慢，甚至关系到吸收是否能正常进行。根据吸收剂与吸收组分之间的相 平衡关系，可以确定吸收剂的优劣，从而进行吸收剂的筛选，主要评价指标是：无毒 无害、化学性质稳定、对分离组分有较高的选择性和较大的溶解度等。在传统吸收法 中吸收剂种类繁多，常用于净化有机废气的有0 4 柴油、煤油、醋酸丁酯等。近年来， 研究者们又开发出了一些用于苯类有机废气的新型吸收剂，如洗油水、柴油水等， 它们与传统的用于净化有机废气的吸收剂相比，更加经济适用 3 2 ，3 3 1 。从原理上来说， 传统吸收过程中用于吸收有机废气的吸收剂应均适用于膜气体吸收净化有机废气的过 程，但在膜气体吸收过程中，吸收剂与膜材质之问存在兼容性问题，因此在研究膜气 体吸收技术净化含苯废气的过程中有必要开展吸收剂筛选方面的研究。 1 4 2 3 膜材料的选择 膜气体吸收过程中，吸收效率与传质效率除了受工艺条件、膜组件结构等因素影 响外，与膜材料也有着密切的关系。膜气体吸收工艺中常用的膜是疏水性微孔高分子 膜，膜材料主要包括聚丙烯( p p ) 、聚乙烯( p e ) 、聚四氟乙烯( p t f e ) 、聚偏氟乙烯( p v d f ) 、 聚砜( p s ) 、硅橡胶( p d m s ) 、聚醚砜( p e s ) 1 34 | 。由于聚丙烯具有化学性质稳定、热稳定性 好、价格低、毒性低、疏水性强、机械强度高等诸多特点，已经成为膜气体吸收工艺 中使用广泛的膜材料。 1 4 2 4 膜组件的开发 目前，工业上用于气体分离的膜组件的形式主要有：平板式、螺旋卷式、中空纤 维式三种。平板式膜组件和卷式膜组件的结构和制备工艺一般较为复杂，并且一般无 法得到较高的填充率，因此目前这两种膜组件只限于实验室中使用。中空纤维膜组件 由于具有成本低、传质效率高、体积小等优点，它已经成为使用最广泛的膜组件形式， 也是研究膜气体吸收过程的主要形式。 根据流体在膜组件内流动的形式，中空纤维膜组件可分为平行流膜组件和错流膜 组件两种。平行流膜组件( 如图1 1 a 所示) 中气液两相完全平行流动，优点是组件制 造简单，成本低，是工业上最常用的形式；缺点是组件中的膜丝存在不均匀分布的问 题，从而影响到壳程流体的流动也不均匀，这就会导致传质效率降低。为了克服“平 行流膜组件”内膜丝分布不均匀的不足，又开发出了另一种“错流膜组件”【3 5 1 。错流膜 组件的主要特点是气液两相交叉流动，错流膜组件又可分为直接错流式( 图1 1 b ) 和 折流板错流式( 图1 1 c ) 。错流式膜组件改进了平行流膜组件膜丝分布不均匀的缺点， 4 硕士论文 膜气体吸收减压膜蒸馏组合工艺处理含苯废气的研究 从而有效提高了膜组件的传质效率；但错流膜组件的制造较为困难，造价较高，清洗 比较困难，这也限制了其在工业上的大规模应用。 h o l l o ；、f i b e ls t s h e l lf l u i d1 h i e a ) 平行流膜组俐 s h e l in 1 1 l l ll n l e i l l s h e l lf l u i do u l l e b ) 直接错流膜组件 c ) 折流板错流膜组件 图1 1 膜组件结构图 1 4 2 5 膜孔润湿的研究 膜气体吸收过程中存在一个非常重要的环节，就是膜孔润湿问题，它关系到整个 吸收过程的传质效率和吸收过程的可操作性【37 1 。膜孔的润湿会增大膜相传质阻力，从 而降低传质效率，为了获得最大的传质效率，膜气体吸收过程应在非润湿状态下进行。 膜孔润湿状态受到很多因素的影响，主要包括膜材料与吸收剂之间的兼容性和工艺操 作条件等。为了保证膜气体吸收过程的正常运行，液相压力应略高于气相压力，以防 止气体渗入到液相形成气泡，但为了防止膜孔润湿，液相压力应不能超过湿润临界压 力【3 8 】。如果液相压力超过了湿润临界压力，溶液就会迅速进入膜孔中，从而膜孔进入 完全润湿状态，在膜孔完全润湿状态下，膜气体吸收过程的传质阻力主要来自膜相， 总传质阻力迅速增加，传质效率急剧降低。在膜气体吸收实际操作过程中，润湿过程 非常复杂，膜孔润湿会受到膜孔孔道的曲率，膜孔孔径大小等诸多因素的影响，因此 1 绪论硕士论文 即使液相压力控制在小于湿润临界压力的范围内，但仍有部分液体会进入膜孔，即膜 孔处于部分润湿状态【3 9 j 。 1 4 2 6 膜气体吸收传质动力学模型的研究 传质动力学模型一直都是膜分离领域的研究重点，主要包括传质微分方程模型和 传质阻力层方程模型两类。膜气体吸收过程中常采用的中空纤维膜接触器，其膜丝内 流动状态比较规则，因此采用微分方程描述较好，但由于受到壳侧结构、膜形态和流 态等因素的限制，目前在膜气体吸收方面所研究的模型主要是半经验模型和半经验半 微分相结合的模型。半经验模型中，中空纤维膜接触器管侧和壳侧的传质过程均采用 经验关联式s h = a r e b s c 。描述，研究较多：而在半经验半微分相结合的模型中，管侧 传质过程采用微分方程来描述，壳侧传质过程则用经验关联式或者物料衡算式来描述， 壳侧方程作为管侧微分方程的求解边界条件。但存在一个问题是，当吸收液走壳侧时， 吸收液在壳侧内的轴向和径向上均存在着非常明显的浓度梯度 4 0 】，这时壳侧方程就不 能作为管侧微分方程的求解边界条件，因此管侧微分方程就无法进行求解，这也就是 半经验半微分方程的局限性。全微分传质模型虽然不会存在这个问题，但全微分传质 模型所得到的壳侧方程非常复杂，求解非常困难，因此研究也较少。 1 4 3 膜气体吸收技术的应用 1 4 3 1c 0 2 、s 0 2 等酸性气体的分离 膜气体吸收过程具有较高的传质效率和膜通量，对于要分离的组分选择合适的吸 收剂，也能保证较高选择性，因此在气体分离领域应用前景非常好。2 0 0 1 年，挪威 k v a e m e r 公司就选用了p t f e 微孔中空纤维膜接触器，利用膜气体吸收技术脱除天然 气中的酸性气体，同时将膜分离与能量循环利用相结合，取得了很好的效果，但膜解 吸过程比较困难1 4 。 1 4 3 r 2 饱和烃与不饱和烃的分离 烯烃、烷烃的分离通常采用低温蒸馏技术，但它们的沸点相差很小，因此很难达 到完全分离，并且投资较大。利用膜气体吸收技术，以a g n 0 3 溶液为吸收剂，从乙烷 中分离乙烯，分离效果良好 4 2 l 。 1 4 3 3 废气中v o c s 的脱除 传统的v o c s 的净化回收方法主要有燃烧法、生物法、吸附法、吸收法、光催化 氧化法等，但这些处理方法都存在着一些不足，如处理成本较高、投资大、易产生二 次污染的问题。p o d d a r 等【4 3 】在膜上涂了一层对v o c s 有很强渗透性的硅树脂，利用 膜气体吸收技术从空气和氮气的混合气中吸收v o c s ，取得了很好的处理效果，并认 为该技术可以替代活性炭吸附v o c s 的技术。 硕士论文 膜气体吸收- 减压膜蒸馏组合工艺处理含苯废气的研究 1 5 减压膜蒸馏技术 1 5 1 减压膜蒸馏技术简介 减压膜蒸馏技术是将含有被分离物质的热溶液通过分离膜一侧，另一侧抽真空， 从而在膜的两侧形成蒸汽压差，被分离物质以单一气态形式进入真空侧，经过冷凝变 为液体，从而实现溶液的分离和浓缩【4 4 1 。减压膜蒸馏技术可用于浓缩热敏性物质、海 水淡化、分离水溶液中的v o c s 等领域【4 5 】。减压膜蒸馏技术具有操作简单、设备体积 小、能耗低、成本低等优点，且具有较高的分离效率和膜通量，因此具有很好的应用 前景。 1 5 2 减压膜蒸馏技术脱除溶液中v o c s 的研究现状 由于v o c s 具有高度挥发性，减压膜蒸馏技术对其分离效果较好，因此国内外对 其研究较多。沈志松【4 6 j 采用减压膜蒸馏技术处理丙烯睛废水，取得了很好的处理效果， 在出水浓度低于5 m g l o 的同时去除率能达到9 8 以上。刘金山h 7 1 等采用减压膜蒸馏 技术处理含甲醇水溶液，原水中甲醇浓度高达1 0m g m l ，经处理后出水甲醇浓度可 降至0 0 3 m g m l 以下，去除效率高达9 9 以上。钟世安【4 8 】等采用减压膜蒸馏技术处 理多酚类制药废水，同时对废水中乙醇进行回收，实验结果表明：多酚类污染物质去 除率为9 9 6 7 ，乙醇回收的质量分数达3 4 5 。另外，从水溶液中脱除甲苯、三氯甲 烷、三氯乙烯、甲基叔丁基醚、甲基异丁基甲酮等也有研究。 1 6 课题的选题意义与研究内容 1 6 1 选题意义 目前，膜气体吸收技术处理酸性气体方面的研究较为广泛，已经形成了一套较为 完整、成熟的研究体系，其研究内容主要包括了吸收液的筛选、膜材料的制备、高效 膜组件的开发、传质模型和传质机理等，而将膜气体吸收技术应用在处理有机废气方 面尚处于起步阶段。膜气体吸收技术应用于有机废气处理的研究主要存在两个问题， 首先是由于有机废气组成复杂，很难寻找到一种惰性、与膜材质的兼容性能好、难挥 发、溶解性强的并能吸收多种v o c s 的吸收剂，其次是膜接触器在长时间运行的过程 中，吸收剂会逐渐渗透进入膜孔内部，使膜孔润湿，导致膜相阻力大幅上升，总体积 传质系数大幅降低。因此，应该通过筛选或合成能够与膜材质互相兼容的高效吸收剂， 同时通过优化工艺条件等手段提高膜接触器的吸收效率和传质性能，提高膜与吸收剂 的兼容性，增强工艺的稳定性；从实验研究中探讨膜孔润湿对膜组件传质性能