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摘要：滲透汽化膜分離技術(shù)是當(dāng)前分離膜研究領(lǐng)域的前沿課題之一。作為化學(xué)分離中的重要組成部分，近年來受到高度重視。本文介紹了滲透汽化分離技術(shù)的基本原理、滲透汽化膜及膜的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和影響因素。并且，綜述了國外近幾年滲透汽化膜分離技術(shù)在分離醇/水混合物研究的新進(jìn)展。文章最后對(duì)滲透汽化膜分離研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：滲透汽化；醇/水；膜分離技術(shù)

滲透汽化過程（Pervaporation，簡稱PV，國內(nèi)又稱為“滲透蒸發(fā)”）是一種新型的膜分離過程，是利用混合液中各組分被高分子膜選擇吸附溶解，及其在膜中擴(kuò)散速度的不同，通過滲透與蒸發(fā)將各組分分開，從而分離或富集有機(jī)混合物中的某一組分。滲透汽化技術(shù)在石油化工、醫(yī)藥、食品、環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，是目前處于開發(fā)期和發(fā)展期的技術(shù)，國際學(xué)術(shù)界的專家們稱之為21世紀(jì)最有前途的高技術(shù)之一。本文基于國外近幾年來報(bào)道的研究結(jié)果，綜述了滲透汽化膜在醇/水體系中運(yùn)用的研究進(jìn)展。

1.滲透汽化膜分離技術(shù)

1.1基本原理

滲透汽化是利用致密高聚物膜對(duì)液體混合物中組分的溶解擴(kuò)散性能的不同實(shí)現(xiàn)組分分離的一種膜過程（如圖1所示）。液體混合物原料經(jīng)加熱器加熱到一定溫度后，在常壓下送入膜分離器與膜接觸，在膜的下游側(cè)用抽真空或載氣吹掃的方法維持低壓。滲透物組分在膜兩側(cè)的蒸汽分壓差（或化學(xué)位梯度）的作用下透過膜，并在膜的下游側(cè)汽化，被冷凝成液體而除去。不能透過膜的截留物流出膜分離器。

圖1.下游側(cè)抽真空或惰性氣體吹掃滲透汽化過程示意圖

1.2滲透汽化膜及膜性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

滲透汽化膜的基本特征是具有各相異性形態(tài)能起分離作用的致密薄層。有各種不同的滲透汽化膜，按材料分有有機(jī)高分子膜和無機(jī)膜。按結(jié)構(gòu)分有均質(zhì)膜、非對(duì)稱膜和復(fù)合膜。按功能分有親水膜、新有機(jī)物膜和有機(jī)物分離膜。

評(píng)價(jià)滲透汽化膜的性能主要有兩個(gè)指標(biāo)，即滲透通量J與分離系數(shù)a。滲透通量J 是單位面積在單位時(shí)間內(nèi)滲透過膜的物質(zhì)量，通常用的單位是m/m2*h。滲透通量表示通過膜的滲透度的大小，滲透通量的大小決定了為完成一定分離任務(wù)所需膜面積（即膜器）的大?。煌看?，所需膜面積就小。

分離系數(shù)a 表示用膜分離兩種物質(zhì)效率的高低，通常用下式表示：

式中，YA 與YB分別表示在滲透物中A與B兩種組分的摩爾分?jǐn)?shù)：XA與XB分別表示在原料液中A與B兩種組分的摩爾分?jǐn)?shù)。如果兩種組分透過膜的能力相同，YA/ YB等于X A/ X B，分離系數(shù)A等于1。如果組分A比B更易透過膜，YA/ Y B大于XA / XB，分離系數(shù)A 大于1。組分A 與B 的透過能力愈大，則A 愈大。如果B 基本不能透過膜，則A 趨于無窮大。顯然，膜的分離系數(shù)愈大，可使兩組分分離得愈完全。

1.3影響因素

影響滲透汽化分離效果的主要因素是膜材料的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)、被分離組分的物理化學(xué)性質(zhì)、被分離組分之間及其與膜材料之間的相互作用，此外還受溫度、料液濃度和分壓差等影響。其中膜材料的選擇是一個(gè)關(guān)鍵問題。在滲透汽化中應(yīng)以含量少的組分為優(yōu)先透過組分，根據(jù)組分的性質(zhì)選擇膜的材料，同時(shí)，還必須考慮膜的各種性質(zhì)，如抗有機(jī)溶劑的腐蝕性、熱穩(wěn)定性等。由于滲透汽化膜是整個(gè)滲透汽化過程的關(guān)鍵，膜的分離性能直接影響分離效果及處理費(fèi)用，因而膜的開發(fā)一直是滲透汽化膜分離技術(shù)的重點(diǎn)。

2.滲透汽化膜在醇-水體系中的應(yīng)用

長期以來滲透汽化的研究工作基本集中在醇/水體系的分離，特別是乙醇/水體系的分離。原德國GFT公司（現(xiàn)屬瑞士Sulzer Chemtech）以聚乙烯醇（PVA）為膜材質(zhì)，對(duì)水優(yōu)先透過滲透汽化膜首先進(jìn)行了系列產(chǎn)業(yè)化。至今各國仍然有很多乙醇/水體系分離方面的研究，研究者們希望獲得性能更好的乙醇/水體系分離膜。Adrian Verhoef等研究了疏水納米過濾膜（SolSep 3360）在以汽化滲透的方法處理酒精溶液時(shí)的性能，并且與傳統(tǒng)的汽化滲透膜（PV 1070，Sulzer Chemtech 和 Pervatech PDMS）進(jìn)行了比較。檢測了乙醇/水的二元混合物以及常見的多組分混合物（酒精飲品）。實(shí)驗(yàn)中酒精濃度達(dá)到50vol%，實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到45℃。研究發(fā)現(xiàn)，多組分酒精飲品的分離效果和乙醇/水二元混合物的效果是非常一致的。在滲透汽化中運(yùn)用納米過濾膜具有很大可能性，因?yàn)橛泻芨叩臐B透通量和滲透性，同時(shí)具有很好的分離系數(shù)和選擇性。溶脹的影響造成了納米過濾膜與傳統(tǒng)滲透汽化膜的差異，它使膜更加的稠密，并使膜和過濾分子之間形成不同的相互作用力。Marina García等人[2]在用汽化滲透的方法提取乙醇時(shí)，運(yùn)用了甲基辛基（硅氧烷與聚硅氧烷）（polyoctylmethyl siloxane，POMS）疏水膜。在研究二元醇/水體系時(shí)，乙醇濃度在0-11wt%范圍內(nèi)，操作溫度在307.55-326.35K范圍內(nèi)。結(jié)果表明，POMS膜對(duì)乙醇有選擇性，盡管在實(shí)驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，與蒸餾方法相比，沒有表現(xiàn)出更高的分離系數(shù)。M.N.Hyder等運(yùn)用均質(zhì)聚乙烯（乙烯醇）（homogeneous poly（vinyl alcohol），PVA）膜分離乙醇/水和異丙醇/水兩個(gè)體系。他們建立了一個(gè)回歸模型：滲透汽化通量和選擇性與操作條件—溫度、濃度、流速這三者之間的函數(shù)。研究溫度在33-67℃范圍內(nèi)，流入流速在46-114L/h范圍內(nèi)，異丙醇濃度在83-92wt%范圍內(nèi)，乙醇濃度在93-98 wt%范圍內(nèi)。研究結(jié)果表明，醇的濃度對(duì)通量和選擇性有重要的影響。對(duì)于乙醇/水共沸物（95.5 wt%乙醇），最優(yōu)的溫度和流速條件分別是57℃和89.2L/h。對(duì)于異丙醇/水共沸物（87.5 wt%異丙醇），最優(yōu)條件是50.5℃和93.7L/h。

另外還有其它醇/水體系，涉及的有機(jī)物有丁醇、乙二醇等。在采用滲透過濾方式使乙二醇脫水中，Jia Xu等人運(yùn)用了一個(gè)新的膜。這個(gè)膜是一個(gè)薄層復(fù)合膜，是通過將聚合電解質(zhì)一層一層的組裝到聚酰胺膜界面上制成。在僅有兩層或三層聚合電解質(zhì)雙分子層是，這個(gè)膜表現(xiàn)出一個(gè)很好的選擇滲透性通量；在40℃，流入水濃度為3 wt%時(shí)，滲透通量為0.4 kg/（m2h），分離系數(shù)達(dá)到340。在乙二醇脫水的實(shí)驗(yàn)中，溶液熱力學(xué)和膜的滲透性都是在水比較豐富的情況下最好。

3.總結(jié)與展望

滲透汽化膜分離技術(shù)作為一種新型的膜分離技術(shù)，因其能耗低且對(duì)用一般的分離技術(shù)較難進(jìn)行分離的近沸點(diǎn)、恒沸點(diǎn)混合物等有較好的分離效果，因此應(yīng)用很廣泛。目前，滲透汽化膜分離的研究不只限于膜，也涉及到新型膜組件的設(shè)計(jì)與過程的優(yōu)化，包括將滲透汽化與蒸餾過程集成。近幾年來，研究人員在化學(xué)工業(yè)中進(jìn)行了大量的工作，試圖用滲透汽化技術(shù)與可逆反應(yīng)偶合來改善反應(yīng)收率。

目前，解釋醇/水混合物傳導(dǎo)機(jī)制的模型大多數(shù)是基于溶液擴(kuò)散機(jī)理，F(xiàn)lory-Huggins理論，疏水吸附蒸餾（HSD）模型和Maxwell-Stefan理論。在滲透汽化分離中大部分都是基于溶液擴(kuò)散機(jī)理。然而，現(xiàn)有的理論指導(dǎo)仍然是不成熟的，不能很好的描述分離體系。直到現(xiàn)在，對(duì)于預(yù)測膜材料的滲透汽化性能的可用理論依然是缺乏的，這限制了高性能膜的研究和發(fā)展。所以，在探索和設(shè)計(jì)優(yōu)異的滲透汽化膜材料上需要有更多的研究。

此外，在滲透汽化膜分離的研究中，越來越多的研究更有針對(duì)性，被分離體系、分離條件也更接近工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際情況，比如從二元體系的分離發(fā)展到多元體系的分離；料液溫度更高或更低條件下，膜的PV分離特性；開發(fā)在一定分離條件范圍內(nèi)，PV分離性能穩(wěn)定的膜；研制能夠優(yōu)先透過某一類多組分，而截留另一類多組分或單組分的膜等。這些也是滲透汽化膜分離技術(shù)研究今后的發(fā)展方向。