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发酵废气治理技术——膜分离技术

该废气处理技术是一种新型高效分离技术,装置的中心部分为膜元件,常用的膜元件为平板膜、中空纤维膜和卷式膜,又可分为气体分离膜和液体分离膜等。气体膜分离技术利用有机蒸气与空气透过膜的能力不同,使二者分开。该法已成功地应用于许多领域,用其它方法难以回收的有机物,用该法可有效地解决。用该法回收有机废气中的丙酮、四氢呋喃、甲醇、乙睛、甲苯等(浓度为50%以下),回收率可达97%以上。

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膜分离法最适合于处理VOCs浓度较高的废气,对大多数间歇过程,因温度、压力、流量和VOCs浓度会在一定范围内变化,膜系统的设备有较强的适应性,。近几年来,国外的实验室研究分离VOCs使用得最多的膜分离材料是聚二甲基硅氧烷PDMS。它从结构上看属半无机、半有机结构的高分子,具有许多独特性能,是目前发现的气体渗透性能好的高分子膜材料之一。研究人员大多是采用聚枫PS、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚间苯二甲酸乙二酯PEI等材料作为支撑层,使用PDMS涂层堵孔,作为选择性分离层,选择性分离VOCs/N2或空气体系,都取得了理想的实验结果。

1、 膜分离工艺

实验装置包括原料气发生装置以及膜分离装置两个部分。空气由空气泵鼓入原料液罐形成VOCs饱和蒸气进入混合器中,由另一股空气稀释至所需浓度进入膜分离装置,经过膜的分离过程,大部分的VOCs在真空泵提供的压力差下透过膜形成浓的渗透气进入冷凝装置冷凝,含少量VOCs的空气成为尾气排出。进入膜分离装置的原料气以及尾气浓度由气相色谱分析得到,原料气、尾气及渗透气的压力由压力表示数读出。


膜过滤分离装置示意图

2、分离膜材料

分离膜的材料包括有机高分子材料和无机材料。无机材料如金属、金属氧化物、陶瓷和分子筛等制成的膜为无机膜。虽然无机膜具有耐高温、结构稳定、孔径均一、化学稳定性好、抗微生物腐蚀能力强等优点,但由于制造成本相对较高,且制造大面积稳定的、具有良好性能的膜比较困难:因此,无机膜在气体分离过程中的应用除了氧化铝膜分离铀同位素已经工业化外,其他均还处于试验室水平,大部分还局限在膜的制备、分离性能表征和传质机理方面。

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有机高分子材料是各种合成膜的主要膜材料。在气体分离膜领域,已经应用的高分子膜材料有聚酰亚胺(PI),乙酸纤维素(CA),聚二甲基硅氧烷(PDMS),聚砜(PS),聚碳酸酯(PC)这些材料或具有高渗透性、低选择性或具有低渗透性、高选择性,使得这些材料开发的气体分离膜在石油炼制等某些特殊领域应用受到限制。

有机硅是具有良好前景的高分子膜材料,已开发出许多实用化或优秀的分离膜。尤其是在气体分离方面,有机硅膜材料的研究和开发一直是个热点。有机硅的Si-O键能比C-C键高,Si-C键与C-C键的键能差不多(Si-O=106kcal/mol,Si-C=78kcal/mol,C-C=83kcal/mol,1kcal/mol=4.18J),且具有负离子性(电负性Si=1.8,C=2.5,O=3.5)。这些赋予了有机硅材料耐热、不易燃、耐电弧的性能。

有机硅聚合物疏水、耐热、具有良好的机械强度和化学稳定性,对醇、酯、酚、酮、卤代物、芳香烃、吡啶等有机物有良好的吸附选择性,是至今研究最多的高分子膜材料之一,包括聚二甲基硅氧烷(PDMS),聚三甲基硅丙炔(PTMSP),聚乙烯基三甲基硅烷(PVTMS),聚乙烯基二甲基硅烷((PVDMS)等。有机硅聚合物膜属于橡胶态或玻璃态合成高分子膜,其材料是链状结构的杂链化合物,主链为O-Si-O,侧基为有机基团,非极性。由于其聚合结构中的Si-键的高键能和负离子性特点使其兼具有有机高分子和无机高分子材料的双重特性。硅橡胶材料耐热,不易燃,耐电弧,聚硅氧烷链状分子的料液结构呈螺旋状,加上硅原子体积较大,使链中自由空间体积较大,聚合分子间的作用力很小,内聚能密度小,结构疏松,有利于其它物质分子在其中溶解和扩散。

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