基于pdms复合膜的渗透蒸发性能和传质模型的研究

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1、天津大学博士学位论文PDMS复合膜的渗透蒸发性能和传质模型的研究姓名：陈镇申请学位级别：博士专业：化学工艺指导教师：刘家祺20020301天津大学博士学位论文摘要渗透蒸发作为一种膜分离技术，以其操作简单、无污染、能耗低，无外加分离剂、尤其是不受汽液平衡限制和一次分离效率高等特点，正成为从废水中脱除和回收易挥发有机物的有效方法，而在国内至今很少见到相关的应用报道，对传质理论的研究论文也不多。因此深入研究渗透蒸发过程的传质机理．并在此基础上制备高通量和选择性的膜。丌展从水溶液中脱除和回收易挥发有机物的渗透蒸发工艺条件实验，确定传质方

2、程，具有重要的理论和实际意义。本研究研制了以聚砜(PS)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)为基膜，以二甲基硅氧烷(PDMS)为表面活性层的复合膜。讨论了PDMS浓度、交联剂以及催化刹含量、成膜肘闯对硅橡胶复合膜活性层渗透蒸发性能的影响，确定了制备复合膜活性层的适宜配方和操作条件。用IR、SEM、XPS等方法对自行研制的PDMS复合膜活性层、基膜和复合膜的结构进行了剖析。结果表明，活性层存在PDMS的交联反应，活性层表面平整、断面光滑，均为致密结构：基膜的结构和传质阻力与PS浓度、添加剂聚乙二醇浓度有关；复台膜包括活

3、性层和支撑层两部分，虽然活性层与基膜相互之间没有化学作用，但是它们的结合仍十分紧密。根据表征结果制备了高性能的PDMS复合膜，渗透蒸发实验中PDMS复合膜可将水溶液中苯的浓度由0,2～0．8×10一kg．kg．1浓缩至70～96wt％，膜的总渗透通量为0．10～O．4kg．m-2．h～，分离因子可达到20000；可将稀水溶液中氯仿的浓度由2,0～4．O×10～kg．kg。1浓缩至90～98wt％，膜的渗透通量为O．20～0．60kg．m-2,h一，分离园子达到15000。本文中渗透蒸发膜分离水溶液中有机物的性能优于国外文献值。对

4、膜内传质过程进行了研究，在膜内扩散方程中引入平衡因数K和位阻因子A，确定了新的扩散系数关联式，并在此基础上推导出了组分的通量关系式，分析和预测了料液浓度、膜与组分的相互作用对组分渗透通量的影响，得出结论为：膜与组分之间发生相互反应产生的溶胀效应阻碍了膜内传质过程：通量与浓度的关系式并不是简单的线性关系。并将该扩散方程推广至二组分物系渗透蒸发过程，得出了对应不同情况的传质方程，并给出了这些方程的数值解法。根据实验物系和浓度范围。分别建立了原料和产品中苯／水、氯仿／水、苯／氯仿／水物系的色谱分析定方法．回归出了苯和氯仿的校正因子，确

5、定了产品和料液中各组分的色谱峰面积与浓度的关系式。将渗透蒸发过程阻力分解为料液边界层传质阻力、活性层内传质阻力、基膜传质阻力三者之和，并根据其各自的特点，对PDMS复合膜的传质过程进行了天津大学博1．学位论文摘要理论推导，确定了苯和水的渗透蒸发的传质模型，得到了组分的渗透通量和膜的分离园子的表达式。通过渗透蒸发实验考察了料液浓度、料液温度、料液流速和膜下游压力等操作条件对膜渗透蒸发性能的影响，回归求得了传质模型中不同操作条件对应的参数；讨论了活性层厚度和基膜结构对传质过程的影响，并确定总传质阻力与活性层厚度的关系式和基膜传质阻力

6、的经验公式。在此基础上得到了渗透蒸发的传质模型，计算结果与实验结果符合良好，相对误差小于10％。比较了苯／氯仿，水物系与苯／水、氯仿／水物系的渗透通量，讨论了不同有机物组分之间的相互作用对渗透通量的影响。论述了选取渗透蒸发过程的原则，确定渗透蒸发过程的适宜应用范围。讨论了几种主要膜组件的优缺点，为膜组件的选取提供参考。对间歇和连续渗透蒸发过程进行了工艺设计，确定了分离效果与膜面积、传质系数、流速等的关系式。并分析了渗透蒸发过程中的各种费用。关键词：渗透蒸发复合膜易挥发有机物传质模型渗透通量工艺设计天津大学博士学位论文摘要ABST

7、RACTPervaporationisakindofmembraneseparationmethodsandhasmanyadvantagessuchaseasytooperateandcontrol，nopollution，energy—efficient，noadditivesolvents，especiallybeyondthelimitofvapor-liquidequilibriumandhi曲efficiencyinasingleseries，SOitisbecominganewprocessforremovalan

8、drecoveryofVOCsfromaqueoussolutions．However,researchesonpervaporationanditsmechanismwereseldomreportedinChina．Itisimportantandurgen