王乃鑫，張國俊，紀樹蘭

（北京工業(yè)大學環(huán)境與能源工程學院，北京 100124）

滲透汽化（pervaporation，簡稱 PV）作為一項新興的膜分離技術(shù)，以其分離效率高、能耗低等優(yōu)點，近二十年來得到了廣泛的研究和應用。用于有機溶劑/水體系脫水的滲透汽化膜技術(shù)在20世紀80年代實現(xiàn)了工業(yè)化應用，德國GFT公司1982年在巴西建成了世界第一套日產(chǎn) 1300 L無水乙醇的板框式工業(yè)化滲透汽化膜組件及裝置，是滲透汽化膜技術(shù)工業(yè)化應用的標志。我國清華大學于2003年在廣州建成了中國第一套年產(chǎn)4000 t無水異丙醇滲透汽化膜技術(shù)工業(yè)化裝置，標志著我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的滲透汽化膜技術(shù)已經(jīng)進入工業(yè)化應用。目前工業(yè)應用的滲透汽化膜組件品種單一，大多為板框式膜組件，由于其需要機械支撐載體，因而制備成本高，制約了其工業(yè)化應用的發(fā)展。與板框式膜組件相比，中空纖維式膜組件具有裝填密度大、裝置占地面積小、自支撐型組件可節(jié)約成本等優(yōu)點。因此，發(fā)展中空纖維式的滲透汽化膜組件具有重要的科學價值和潛在的應用價值。然而，由于滲透汽化過程對膜材料和結(jié)構(gòu)的要求非常嚴格，不允許膜表面有任何缺陷，直接制備無缺陷的中空纖維滲透汽化膜存在一定的困難，而制備復合膜是一種較好的選擇。目前關(guān)于中空纖維滲透汽化復合膜的研究大都處于實驗室階段，還未見工業(yè)應用的相關(guān)報道。如圖1所示，在Web of Science中以hollow fiber pervaporation membrane為關(guān)鍵詞檢索的關(guān)于中空纖維滲透汽化膜的研究文章近年來雖然有所增長，但總體數(shù)量仍然較少，其關(guān)注焦點主要集中在膜材料以及制備方法的選擇方面。本文作者綜述了中空纖維滲透汽化膜的膜材料，制備方法以及膜組件結(jié)構(gòu)參數(shù)對膜組件滲透汽化性能的影響，并對其在工業(yè)化應用中可能存在的問題進行了分析，旨在為今后中空纖維滲透汽化膜的制備及應用提供參考。

圖1 不同年份的中空纖維滲透汽化膜文章數(shù)量

1 中空纖維滲透汽化膜材料

膜材料是中空纖維滲透汽化膜的核心，對于中空纖維滲透汽化復合膜，支撐層和分離層均會對膜組件的分離性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。中空纖維復合膜的致密層是起分離作用的主要部分，為了同時得到較高的滲透通量和分離因子，要求膜的分離層非常致密均勻并且厚度較薄。為了適應工業(yè)化應用中各種條件下的滲透汽化過程，對膜材料的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性也提出了較高的要求。目前，用于制備中空纖維滲透汽化復合膜的材料及其分離性能列于表1。

表1 用于制備中空纖維滲透汽化復合膜的膜材料及性能

由表1可知，用于制備中空纖維滲透汽化復合膜的膜材料主要分為3類，即有機聚合物、無機分子篩、有機/無機復合材料。所制備的膜大多用于有機物脫水或者水中脫除有機物的滲透汽化分離，而在有機/有機分離領域還鮮有報道。

1.1 有機聚合物

目前，有機聚合物作為滲透汽化膜的膜材料研究較為廣泛，主要是由于有機聚合物種類豐富，易于修飾，分離性能好，并且在平板式膜組件中得到了工業(yè)化應用，具有較好的研究基礎。采用有機聚合物作為滲透汽化膜的膜材料分離因子較高，但滲透通量普遍較低。例如，Yuan等[2]采用PAN中空纖維超濾膜為基膜，以PVA為分離材料采用涂覆法制備中空纖維復合膜，所制備的膜用于乙酸乙酯脫水以及乙酸乙酯、乙醇、水三元體系脫水。雖然分離因子較高可達7270，但滲透通量僅為34.5 g/(m2·h)，這主要是由于交聯(lián)后的 PVA所形成的分離層非常致密均勻并且比較厚（15 μm）。宋明宇等[5]制備了以聚砜中空纖維超濾膜為底膜的PVA/SA共混復合膜，并用于異丙醇脫水的研究。在料液中異丙醇質(zhì)量分數(shù)為90%時，復合膜的滲透通量和分離因子分別為 427 g/(m2·h)和 1727。本文作者課題組[3]以PAN中空纖維超濾膜為基膜，采用自組裝技術(shù)將聚電解質(zhì)層層組裝到中空纖維膜的內(nèi)表面，制備了中空纖維聚電解質(zhì)復合膜，并將其用于滲透汽化分離乙醇/水體系。當進料液為50 ℃的95%乙醇/水時，復合4.5層和6.5層聚電解質(zhì)派對的多層膜滲透通量分別為 290 g/(m2·h)和 120 g/(m2·h)，分離因子分別為245和1338。該多層膜對正丁醇/水、異丙醇/水體系均有較好的分離效果，由于聚電解質(zhì)種類豐富，因此可以根據(jù)分離對象的不同選擇不同的聚電解質(zhì)進行組裝，從而拓寬聚電解質(zhì)多層膜的應用范圍。

有機聚合物作為膜分離材料的另一優(yōu)點就是易于修飾，可以通過化學反應將帶有不同功能基團的聚合物復合在基膜表面，使其發(fā)揮更好的滲透汽化性能。Lai等[6]采用濕法紡制了聚砜中空纖維膜，然后采用臭氧對膜進行改性，在改性后的膜表面涂覆殼聚糖和硅烷偶聯(lián)劑的混合溶液，所制備的膜用于70%的異丙醇/水溶液脫水，分離因子為78，滲透通量為128 g/(m2·h)。對該復合膜連續(xù)30天進行滲透汽化評價，膜的性能未見下降，表明該膜具有較好的穩(wěn)定性。Chung等[9]采用商業(yè)化的聚酰亞胺紡制了中空纖維膜，然后分別采用熱處理和化學交聯(lián)對膜進行后處理，處理后的膜用于異丙醇脫水的滲透汽化分離。研究結(jié)果表明，采用化學交聯(lián)可以使膜的分離性能提升，而熱處理后的膜分離效果變化不明顯，先將膜熱處理再進行化學交聯(lián)則可以有效提升膜的分離性能。這是由于化學交聯(lián)限制了聚合物鏈的移動并且減小了分子間的間隙，而熱處理則可以提高化學交聯(lián)的效率，因此提高膜的分離性能。

盡管有機膜材料受到了廣泛研究，但是其滲透通量較低、力學性能差等缺點卻始終未得到徹底解決，因此在工業(yè)應用過程中會造成運行成本高、穩(wěn)定性差等缺點。

1.2 無機分子篩膜

無機分子篩膜作為滲透汽化膜材料，主要優(yōu)點是膜的滲透通量較大，并且具有非常好的機械強度、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，在苛刻條件下具有非常大的應用潛力。其主要缺點是鑄膜液中的無機粒子不容易分散均勻，在制備過程中容易產(chǎn)生晶間孔，從而產(chǎn)生較大缺陷，因此導致其分離性能較差。然而，近年來由于有機膜材料存在滲透通量低、穩(wěn)定性較差等方面的問題，無機膜材料的研究也越來越廣泛。Wang等[11]采用涂覆-擦拭晶種沉積的方法在中空纖維陶瓷基底上接種分子篩，并將其用于乙醇脫水的滲透汽化過程，在進料液乙醇含量為90%時，分離因子為12 500，滲透通量可達6.2 kg/(m2·h)，顯示了優(yōu)異的滲透汽化性能。Peters 等[13]采用連續(xù)涂覆法在中空纖維陶瓷膜表面先制備一層多孔 γ-Al2O3中間層，然后繼續(xù)采用涂覆法在最外層制備 SiO2分離層，所制備的膜在氣體分離和滲透汽化方面均有較好的分離效果。在滲透汽化分離 95%正丁醇/水溶液時，滲透通量為 2.9 kg/(m2·h)，分離因子為1200。采用該方法制備的中空纖維陶瓷膜還被用于二甲基甲酰胺（DMF）脫水，表現(xiàn)出與正丁醇相似的分離結(jié)果。DMF是一種偶極矩非常大的有機溶劑，可以溶解大部分有機物，難以采用有機聚合物膜進行分離。因此在分離具有較大偶極矩的有機溶劑時，無機分子篩膜具有較大的優(yōu)勢。

1.3 有機/無機雜化和復合膜

有機/無機雜化膜和有機/無機復合膜的制備方法主要是將無機材料摻雜到有機聚合物中或在無機基底上復合有機聚合物。有機/無機雜化和復合膜結(jié)合了有機聚合物和無機分子篩各自的優(yōu)勢，在保證分離因子的前提下，可以提高膜的滲透通量及穩(wěn)定性。本文作者課題組[14]在前期研究基礎上，采用兩性氧化物納米粒子與聚電解質(zhì)形成聚合物納米包絡體，通過層層吸附自組裝技術(shù)（LbL），以中空纖維聚丙烯腈超濾膜作為基底構(gòu)筑具有優(yōu)先透水滲透汽化功能的高負載納米雜化薄膜，在分離質(zhì)量分數(shù)95%乙醇/水體系時的透過液水含量和滲透通量分別為 99.9%（α=18981）和 340 g/(m2·h)（50℃）。兩性氧化納米粒子的加入改變了多層膜表面形貌結(jié)構(gòu)，延長了組分擴散的通道長度，使得被分離組分的擴散選擇性差異更大，同時顯著提高多層膜粗糙度，增大了組分的接觸面積并且增強了膜的耐溶脹性。此外，本文作者課題組[12]采用層層自組裝技術(shù)還在中空纖維陶瓷膜內(nèi)表面組裝聚電解質(zhì)制備中空纖維有機/無機復合膜，并對制備的膜進行熱處理，所制備的有機無機復合膜在分離 95%的乙醇/水體系時，透過液水含量為 97.5%，滲透通量為 1050 g/(m2·h)。采用這種方法制備復合膜工藝簡單，成膜材料豐富，并且能夠有效提高膜的分離性能，在未來的工業(yè)化應用中存在較為廣闊的應用前景。

2 中空纖維滲透汽化膜的制備方法

由于中空纖維膜是立體三維結(jié)構(gòu)，不容易在表面制備致密均勻的分離層，因此中空纖維復合膜的制備方法比平板復合膜繁瑣，如何在中空纖維膜表面制備一層超薄無缺陷的分離層是其工業(yè)化應用的主要難點。目前，中空纖維滲透汽化膜的制備方法主要有涂覆法、表面改性法、同步擠壓法、界面聚合法、層層自組裝法等。

2.1 涂覆法

將活性層材料配制成適當濃度的溶液，經(jīng)過濾除去不溶雜質(zhì)，用涂布、噴涂或浸漬等方法將復合膜均勻地涂布在支撐膜上，然后經(jīng)干燥、交聯(lián)等方法處理而制得復合膜。這種方法由于工藝簡單、便于控制表面分離層的厚度，從而得到普遍使用。Yuan等[15]通過涂覆法在多孔α-Al2O3的中空纖維陶瓷膜表面制備NaA沸石分子篩與聚酰亞胺復合膜，首先在預處理后的中空纖維陶瓷膜表面通過微波加熱作用制備NaA分子篩膜，然后通過聚酰胺酸的亞胺化作用形成有機/無機復合膜，所制備的膜厚度約為10 μm，在對10%乙醇/水溶液進行滲透汽化分離時選擇性遠高于單純的NaA分子篩膜。李冰冰等[16]采用內(nèi)涂法制備PDMS/PES中空纖維復合膜，先將聚醚砜中空纖維基膜進行預處理，然后在其內(nèi)側(cè)涂覆聚二甲基硅氧烷作為分離層，所制備的復合膜在分離5%乙醇/水溶液時滲透通量為323 g/(m2·h)，分離系數(shù)為7.3，滲透通量比外層涂膜高近一倍，并且有效保護了膜的分離層。目前采用涂覆法制備中空纖維復合膜存在諸多困難：如果分離層涂覆在膜的內(nèi)表面，則要求支撐膜的內(nèi)徑較大，若多余的涂膜液不能從管內(nèi)流出，會導致中空纖維膜絲內(nèi)部堵塞；如果分離層涂覆在膜的外表面，當涂膜液中溶劑還未完全蒸發(fā)時，任何物質(zhì)與膜面的接觸會導致膜缺陷的形成，并且在膜組件封裝時也會出現(xiàn)分離層破損的可能。

2.2 表面改性法

表面改性法一直被認為是在聚合物表面引進官能團的最好的辦法之一。聚合物的表面與反應介質(zhì)在一定條件下可發(fā)生化學反應，引入化學鍵合的極性基團，使非極性的低表面能轉(zhuǎn)化為極性的高表面能，改善聚合物表面的親水性、黏結(jié)性等。表面改性主要包括化學接枝、等離子體改性、紫外光輻射及高能輻射等多種方法。Kai等[17]采用等離子體接枝聚合技術(shù)在聚乙烯中空纖維膜表面接枝丙烯酸甲酯單體制備復合膜用于苯/環(huán)己烷的滲透汽化分離，首先采用等離子體對膜表面進行處理，然后將處理后的中空纖維膜浸泡在聚合物單體溶液中，接枝后的膜用有機溶劑清洗后放入烘箱中烘干。通過表征確定接枝的聚合物填充到中空纖維基膜的孔道中從而形成致密膜，接枝層的厚度大約為20 μm，所制備的復合膜對苯有優(yōu)先選擇性。Tsai等[18]對濕紡的聚丙烯腈中空纖維膜進行熱處理得到中空纖維滲透汽化膜用于乙醇脫水，考察了不同處理溫度和時間對膜形貌結(jié)構(gòu)和分離性能的影響。當熱處理溫度超過 210 ℃時，聚丙烯腈發(fā)生了脫氫和環(huán)化反應，隨著熱處理溫度的升高，掃面電鏡照片顯示膜變得致密。對熱處理溫度為210 ℃的膜進行長期穩(wěn)定性測試發(fā)現(xiàn)，熱處理后的中空纖維膜可以穩(wěn)定運行250天，透過液水含量保持在99%以上。

2.3 同步擠壓法

同步擠壓法是將分離層高分子鑄膜液用泵從紡絲頭處擠入和基膜鑄膜液在外力作用下擠壓在一起，從而形成中空纖維復合膜的方法。Chung等[8]采用同步擠壓法制備了 PVDF/Nanosilica雙皮層中空纖維復合膜，并采用修飾后的孔流模型對制備的復合膜進行了滲透汽化機理分析，該復合膜對 5%的乙醇/水體系進行滲透汽化分離時分離因子可達29，滲透通量為 1.1 kg/(m2·h)，在優(yōu)先透醇方面顯示了非常優(yōu)異的滲透汽化性能。這主要是由于膜表面有大量的納米孔存在，并且具有較高的孔隙率和較薄的分離層。此外，膜下游側(cè)的壓力也會對滲透汽化性能造成較大的影響。

2.4 界面聚合法

界面聚合常用于RO和NF復合膜的制備，聚合發(fā)生在互不相溶的兩相交界處，廣泛使用的是界面縮合反應[19-21]。界面聚合可以制備出納米級超薄復合層，該類膜在低壓下具有較高的選擇性和滲透性，從而在膜分離領域備受重視，其研究熱點大多集中在優(yōu)化制膜配方和工藝條件來改善膜的性能，并且取得了較好的效果。Chung等[22]以聚酰胺-酰亞胺為基膜，通過界面聚合法制備了聚酰胺/聚酰胺-酰亞胺中空纖維復合膜用于異丙醇脫水的滲透汽化分離，對比了不同氨基單體與苯三甲酰氯形成的超薄分離層的滲透汽化性能。結(jié)果表明，超支化的聚乙烯亞胺（HPEI）比間苯二胺（MPD）具有更好的滲透通量，這是由于前者具有更強的親水性。此外，單體的分子量也會影響膜的滲透汽化性能，當HPEI的摩爾質(zhì)量為2 kg/mol時該復合膜在分離 85%的異丙醇/水溶液時顯示了最好的分離效果，透過液水含量為 99.1%，滲透通量可達 1282 g/(m2·h)。在用甲醇進行后處理后，膜的滲透通量可進一步提升為1920 g/(m2·h)，而透過液水含量下降為98.4%，這主要是由于甲醇的后處理去除了分離層中多余的未發(fā)生反應的胺，因此導致分離層的厚度變得更薄。

2.5 層層自組裝法

層層自組裝法（LbL技術(shù)）近年來被證明是一種制備納米級涂層的有效方法，最近的研究證明這種方法還可以制備復合膜的分離層。自從 20世紀90年代德國Mainz大學的Decher等[23]首次提出利用由帶相反電荷聚電解質(zhì)之間的靜電作用在液-固界面交替沉積形成多層膜的技術(shù)以后，該技術(shù)在近十幾年內(nèi)得到飛速發(fā)展。1998年Ackern等[24]開始采用LbL技術(shù)組裝聚電解質(zhì)滲透汽化膜，該法主要優(yōu)點是：條件溫和，方便快捷，厚度納米級可控。LbL技術(shù)是首先將基底（支撐體）進行荷電處理，浸入聚陽（陰）離子大分子溶液中，然后在純水中洗滌，再浸入聚陰（陽）離子的溶液中，反復多次后形成超薄的分離層。采用這種方法制備的膜比涂敷法制得的膜更薄，可以有效控制膜的厚度。但膜的制備條件和操作條件對分離效果有很大影響，如聚電解質(zhì)材料電荷密度、制膜液的濃度、溫度、pH值以及膜的層數(shù)等。

本文作者課題組[25]在集成動態(tài)成膜和層層吸附法各自優(yōu)勢的基礎上，將傳統(tǒng)LbL技術(shù)進一步發(fā)展為動態(tài)LbL技術(shù)。本方法的基本原理是在一定壓力作用下強制地將聚陰離子制膜料液和聚陽離子制膜料液交替地在基膜表面動態(tài)過濾，聚電解質(zhì)和聚電解質(zhì)復合物被支撐膜表面截留，形成具有一定分離作用的分離層。該法可以實現(xiàn)LbL技術(shù)和動態(tài)成膜法的優(yōu)勢互補，既發(fā)揮了動態(tài)壓力作用下可提高分離層致密性的優(yōu)點，又利用聚陰陽離子派對之間的靜電作用，克服單純動態(tài)法分離層易剝離的缺陷。采用這種方法制備的聚電解質(zhì)多層膜在醇/水二元體系中可以連續(xù)穩(wěn)定的運行，然而在極端pH值、鹽和氧化劑存在的復雜條件下，中空纖維復合膜的滲透汽化性能則受到一定程度的影響[26]。因此，本文作者課題組[27-28]進一步采用配位作用和共價作用層層自組裝了中空纖維滲透汽化復合膜，提高了膜的耐溶脹性和穩(wěn)定性。

3 中空纖維組件結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

滲透汽化的過程主要是待分離組分在膜中的溶解和擴散過程，因此除了膜材料本身對組分的分離性能外，膜兩側(cè)的溫度和壓力是決定滲透汽化性能好壞的主要參數(shù)。中空纖維膜組件由于其特殊的組件形式，膜組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)會對膜兩側(cè)的溫度和壓力產(chǎn)生一定程度的影響，主要包括膜組件的抽吸方式、組件長度、裝填密度等。

3.1 抽吸方式的影響

膜組件的抽吸方式包括管程側(cè)抽真空和殼程側(cè)抽真空兩種方式。Zhou等[29]采用管程側(cè)抽真空的方式制備了20 cm長的中空纖維膜組件用于乙酸脫水的滲透汽化分離，考察了中空纖維直徑對滲透汽化性能的影響，研究結(jié)果表明，增大中空纖維的直徑可以同時提高滲透通量和分離因子。當以純水作為進料液時，直徑為480 μm的纖維比直徑為180 μm的纖維通量提高了 300%，表明纖維直徑的增大有效減小了沿著纖維軸向的壓力降，從而增大了膜兩側(cè)的跨膜壓差，因此提高了膜的滲透通量。對于工業(yè)用的1 m長組件，則需要更大直徑的中空纖維膜從而保證其管程側(cè)的真空度。Shao等[30]甚至認為除非纖維長度足夠短或者纖維直徑足夠大，否則中空纖維膜組件將很難應用于滲透汽化過程。然而，纖維直徑的增大就會導致膜組件裝填密度減小，降低膜的有效面積，增加運行成本，因此在組裝過程中需要綜合考慮這兩方面的因素。相對于管程側(cè)抽真空，采用殼程側(cè)抽真空可以更好地保證膜下游側(cè)的真空度，因為殼程側(cè)可以提供更多的真空通道。本文作者課題組[31]采用內(nèi)皮層中空纖維膜制備了中空纖維膜組件，以殼程側(cè)作為真空側(cè)考察了1 m長組件沿著軸向的真空降，結(jié)果表明，盡管沿著軸向真空度略有降低，但仍然能夠保持較高的真空度，從而保證了膜的分離性能。

3.2 組件長度的影響

中空纖維的組件長度會影響沿著膜軸向的溫度和壓力變化，從而影響其滲透汽化性能。Hoda等[32]考察了1 m長組件中軸向上的溫度變化，結(jié)果表明當采用殼程側(cè)進料時，進料溫度從318 K下降到308 K；當采用管程側(cè)進料時，溫度從318 K下降到302 K。主要原因是由于采用管程側(cè)進料時中空纖維膜的滲透通量更大，從而導致溫度下降更加明顯。因此在采用多組件聯(lián)用時建議采用級間加熱的方式，保證整個組件運行過程的溫度保持恒定。此外，Hoda等還考察了不同抽吸方式下沿1 m長組件軸向上壓力的變化，結(jié)果表明殼程側(cè)進料時組件的壓力變化更加明顯，而管程側(cè)進料時長度對膜組件的滲透汽化性能影響較小。本文作者課題組[31]在1 m長組件的不同位置等距離設置7個開口分別作為抽吸口，考察不同開口與抽吸口之間的壓力差，結(jié)果表明抽吸口處的壓力降明顯高于組件末端。

3.3 裝填密度的影響

相對于板框式膜組件而言，中空纖維式膜組件其中一個優(yōu)勢就是裝填密度大，從而能夠節(jié)約成本，然而中空纖維式膜組件的裝填密度也會對滲透汽化性能產(chǎn)生一定程度的影響。本文作者課題組[31]考察了裝填密度從100～500 m2/m3變化范圍內(nèi)中空纖維膜組件的滲透汽化性能，當裝填密度在 400 m2/m3以下時膜組件具有較好的分離效果，當裝填密度達到500 m2/m3時滲透汽化性能下降較為明顯。這是由于滲透汽化過程需要一部分進料液揮發(fā)成為蒸氣透過膜，然后將滲氣蒸氣在下游側(cè)進行冷凝。滲透蒸氣必須及時擴散和冷凝以保證有效的分離，否則下游側(cè)的蒸氣聚集會影響滲透汽化膜的傳質(zhì)過程。因此，在設計內(nèi)皮層中空纖維膜組件時，裝填密度起到很大作用。

4 中空纖維滲透汽化膜的中試

目前，中空纖維滲透汽化膜還沒有工業(yè)化應用，一些研究者對中空纖維滲透汽化膜組件的放大進行了中試研究。早在20世紀90年代，Tsuyumoto等[33-34]分別采用內(nèi)徑0.8 mm和0.5 mm的PAN中空纖維膜為基膜，先將基膜在堿液中水解，然后通過浸漬到PCA-107溶液中制備中空纖維復合膜，將該復合膜制備成中空纖維膜組件并用于乙醇脫水的滲透汽化研究，組件中膜的有效長度為50 cm，有效膜面積為0.05 m2。考察了進料濃度、進料流速、料液溫度、滲透側(cè)壓力對膜分離性能的影響，優(yōu)化了操作參數(shù)，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到了數(shù)學模型方程。

Andrew等[35]采用PDMS中空纖維膜組件從橙汁中滲透汽化分離芳香化合物，膜組件的有效面積為0.257 m2。該研究以橙汁生產(chǎn)的副產(chǎn)物為進料體系，主要成分包括水、乙醇以及大量ppm級的芳香族化合物，考察了料液流速和進料濃度對膜分離性能的影響，結(jié)果顯示水相中的芳香族化合物可以被富集到 8%，由于在滲透側(cè)蒸氣中發(fā)生了相分離，因此在滲透汽化回收過程中控制操作溫度是關(guān)鍵，該膜組件從稀溶液中回收芳香族化合物具有較大的應用潛力。

本文作者課題組[31]在前期研究基礎上，對中空纖維滲透汽化膜組件的放大也進行了一定的研究，采用內(nèi)皮層PAN中空纖維膜為基膜，通過動態(tài)負壓LbL技術(shù)制備聚電解質(zhì)中空纖維復合膜并組裝成組件，對95%的乙醇/水體系進行滲透汽化分離，考察了負壓側(cè)壓力、復合液流速、裝填密度和纖維長度等組裝條件對膜分離性能的影響，并對膜組件進行了放大，制備了直徑4英寸、長0.5 m、有效膜面積為0.5 m2的中空纖維復合膜組件，利用該組件開展了醫(yī)藥中間體生產(chǎn)過程中實際廢水的滲透汽化中試研究。廢水主成分正丁醇含量約為 93.0%，水含量7.0%左右。運行180 h的數(shù)據(jù)顯示：組件性能穩(wěn)定，其透過液水含量一直維持在 98.0%以上，滲透通量在200～400 g/(m2·h)（50 ℃）之間，顯示了較為優(yōu)異的滲透汽化性能，為今后中空纖維滲透汽化膜組件的生產(chǎn)和工業(yè)化應用奠定了良好的基礎，值得在工業(yè)中推廣應用。

綜合以上中空纖維滲透汽化復合膜的中試研究可以發(fā)現(xiàn)，中空纖維滲透汽化復合膜組件的組裝條件以及滲透汽化過程中的操作條件都會對復合膜的分離性能產(chǎn)生一定程度的影響。

5 結(jié) 語

在能源危機與環(huán)境污染日益嚴重的今天，滲透汽化作為一種簡便、無污染且高效率的分離方式已經(jīng)受到了廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)有了工業(yè)化的板框式滲透汽化膜組件。相比板框式滲透汽化膜組件，中空纖維式滲透汽化膜組件在器件小型化和節(jié)約成本方面具有獨特優(yōu)勢，中空纖維滲透汽化復合膜是膜分離技術(shù)領域的主要研發(fā)方向，隨著無機陶瓷膜以及有機/無機雜化和復合膜等膜材料的發(fā)展以及對組件結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，中空纖維滲透汽化膜組件將會在醫(yī)藥、化工、環(huán)保、食品等各個領域具有較大的應用潛力。然而中空纖維滲透汽化膜組件的制備雖然在實驗室階段獲得了成功，但其工業(yè)化應用仍受到一些因素的制約，主要包括以下幾個方面。

（1）溶劑組分在膜中溶解擴散速度差異決定滲透汽化性能，因此滲透汽化過程對膜材料、分離層和器件的性能都提出了更高的要求。應從分子模擬技術(shù)出發(fā)構(gòu)建具有目標導向的分離膜材料設計模式，從納微和分子層次認識材料與組分間的相互作用，并進一步發(fā)展獲得超薄無缺陷分離層的新途徑。

（2）中空纖維膜組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)對滲透汽化性能有重要影響，對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算模擬與優(yōu)化設計是未來獲得高性能中空纖維滲透汽化膜組件的重要方向。要考慮綜合抽吸方式、沿纖維軸向壓降和溫降、膜表面的濃差極化、纖維效率等關(guān)鍵因素。

（3）由于滲透汽化的分離體系大多為有機溶劑體系，有機溶劑對膠黏劑的溶脹會造成膜組件的短流現(xiàn)象，因此發(fā)展耐溶劑和耐高溫的封裝材料是未來保證中空纖維滲透汽化膜組件穩(wěn)定運行必須考慮的重要因素。

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