真空膜蒸馏分离乙醇溶液试验研究_任潇.pdf

工业用水与废水INDUSTRIAL WATER WASTEWATERVol53No6Dec.，2022任潇1，刘贵彩1，于水利2，朱友兵3，谢康1，刘超1（1.济南大学 土木建筑学院，济南250002；2.同济大学 环境科学与工程学院，上海200082；3.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海200030）基金项目：国家自然科学基金（51808257）；山东省自然科学基金（ZR2020ME227）；山东省科技厅科技研究项目（2019GSF109083）摘要：采用真空膜蒸馏装置处理乙醇溶液，探究采用真空膜蒸馏浓缩高浓度乙醇溶液时的膜蒸馏效能及可行性，考察进料温度、进料乙醇浓度等因素对膜蒸馏效能的影响。结果表明，温度能显著提高膜通量，当温度从50上升至75 时，膜通量从390 kg（m2h）增加至1990 kg（m2h），乙醇通量从184 kg（m2h）增加到917 kg（m2h）；随着进料乙醇浓度的增加，膜通量与乙醇通量均升高。在浓缩时间为20 25 h时，高浓度乙醇溶液的膜蒸馏浓缩分离过程运行稳定，在浓缩时间超过25 h后，出水通量有增加的趋势，出水乙醇质量分数和分离比有下降的趋势，且膜面上出现浸润点，经试验分析可知膜发生浸润现象是由于管道和膜组件的材质在高温、高浓度下的乙醇溶液中不稳定所致，后续可应用其他材质的膜组件以及耐高温的新型膜材料进行处理。关键词：真空膜蒸馏；浓缩乙醇溶液；膜蒸馏效能；膜稳定性；膜浸润中图分类号：TQ085文献标志码：A文章编号：%10092455（2022）06001605Experimental study on separation of ethanol solution by vacuummembrane distillationREN Xiao1，LIU Guicai1，YU Shuili2，ZHU Youbing3，XIE Kang1，LIU Chao1（1.School of Civil Engineering and Architecture,University of Jinan,Jinan 250002,China；2.School of EnvironmentalScience and Engineering,Tongji University,Shanghai 200082,China；3.Shanghai Urban Construction Municipal Engineering（Group）Co.,Ltd.,Shanghai 200030,China）Abstract：Using vacuum membrane distillation device to treat ethanol solution,the performance and feasi-bility of vacuum membrane distillation concentrating high concentration ethanol solution were explored,the in-fluence of feed temperature and feed ethanol concentration on membrane distillation efficiency was investigated.The results showed that,temperature could significantly increase the membrane flux,when the temperature in-creased form 50 to 70,the membrane flux increased from 3.90 to 19.90 kg/（m2h）,the ethanol flux in-creased from 1.84 to 9.17 kg/（m2h）.Both membrane flux and ethanol flux increased with the increase ofethanol concentration.When the concentration time was 2.0-2.5 h,the process of membrane distillation con-centration and separation of high concentration ethanol solution was stable,after the concentration time exceeded2.5 hours,the effluent water flux had an increasing tendency,the effluent ethanol mass fraction and separationratio showed a decreasing tendency,infiltration points appeared on the membrane surface.Through the experi-mental analysis,it was known that,the reason for membrane infiltration was that the material of pipeline andmembrane components was unstable in high concentratrion ethanol solution at high temperature.Membrane com-ponents of other materials and new membrane materials with high temperatue resistance could be used for subse-quent treatment.Keywords：vacuum membrane distillation;concentrated ethanol solution;membrane distillation efficiency;membrane stability;membrane infiltration真空膜蒸馏分离乙醇溶液试验研究!废水处理及回用16在众多新型石油潜在替代能源中，乙醇燃料具有技术可行性、资源可持续性、相对较安全且易生产等优势1-2，逐渐成为不同领域的可再生替代能源。在“碳中和”和“碳达峰”的时代背景下，发展生物燃料乙醇对解决环境污染问题和减少碳排放具有重要意义3。生物发酵是获得低浓度乙醇的主要途径，需要对其浓缩及脱水获得高浓度乙醇，但浓缩及脱水过程能耗高、效率低4，阻碍了生物燃料乙醇的发展。膜蒸馏分离过程的经济性和有效能效率都明显优于传统的乙醇浓缩脱水过程5，因此研究膜蒸馏浓缩乙醇具有重要的实际意义及理论价值。膜蒸馏是近年来发展起来的一种新型的膜分离技术，膜蒸馏在饱和蒸汽压差的驱动下6，料液侧溶液中的易挥发组分产生相变，形成气相透过膜孔进入渗透侧，而液相由于张力的作用无法透过膜孔，被阻隔在料液侧，气相在渗透侧冷凝收集。根据在渗透侧收集或冷凝的不同方式，膜蒸馏主要分为直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、真空膜蒸馏和气扫式膜蒸馏4种79。膜蒸馏具有膜通量大、比传统蒸馏工艺的操作温度低、操作简单、利用低品热源、太阳能和其他废热余热等优势10-11，广泛应用于海水和微咸水淡化、工业废水处理、食品工业、化学工程等领域12-13。本研究主要运用真空膜蒸馏来分离乙醇溶液。在考察进料温度和进料乙醇浓度对膜通量、乙醇通量的影响的基础上，阐明其作用机理，并在处理效果良好的状况下，探究在真空膜蒸馏浓缩高浓度乙醇溶液的可行性，明确此条件下膜蒸馏效能随浓缩时间的变化情况。在研究过程中发现膜上会出现浸润点，通过分析及试验验证，得出问题所在及解决方法，并为实际应用提供依据及理论支撑。1材料与方法11试验装置试验装置为自制的真空膜蒸馏小试装置，如图1所示，热测由加热罐与温度计共同调节温度，由磁力泵调节流速。中间设置缓冲罐进行缓冲过渡，防止蒸汽流速过大，导致冷凝不充分。冷侧用真空泵抽真空，通过冷却水循环机对冷凝管冷凝，冷凝收集蒸汽，出水装置放置在电子天平上，通过计算机实时监测记录出水质量。12试验材料试验用膜为PTFE膜，厚型支撑层PTFE疏水膜孔径为01 m，总厚度为05 mm。膜有效面积为006 m2。各种浓度的乙醇水溶液由无水乙醇（优级纯）与去离子水配制而成，其质量分数分别为5%、65%、8%、10%、11%、13%、14%、16%、17%、40。13试验方法（1）考察进料温度、进料乙醇浓度对膜蒸馏处理低浓度乙醇效能的影响。采用真空膜蒸馏装置处理质量分数为10的乙醇溶液，在加热罐中对乙醇溶液进行加热，温度分别为50、60、70、75，并在磁力泵作用下在热侧膜组件中进行循环。（2）通过膜通量、乙醇通量以及分离因子来考察真空膜蒸馏处理高浓度乙醇溶液时的膜蒸馏效能。配置质量分数40的乙醇溶液，每05 h测1次膜通量，将出水倒回原水储罐，每05 h向原水罐中补加一定量的乙醇以维持进料液乙醇质量分数为40不变。（3）验证膜蒸馏浓缩乙醇溶液膜发生亲水化的原因。设置2组试验，试验1使用前次试验（浓缩质量分数为40的乙醇溶液）已使用过的乙醇溶液，含有少量有机玻璃（PMMA，源于膜组件材料）或氯化聚氯乙烯（CPVC，源于管道材料）的物质；试验2使用的乙醇溶液是用无水乙醇新配置的溶液，试验温度控制在50 75，真空度为0085 0090 MPa，由于不能控温加热，因此采用外加热器将浓缩试验中已使用过的乙醇溶液和新配制的乙醇溶液加热后倒入超滤杯中进行试验，并进行间歇循环操作，试验完成后对膜进行分析，验证亲水化的原因。14分析及计算方法根据计算机实时监测的出水质量来计算膜通量、乙醇通量及分离因子。膜蒸馏过程的表征通常是以膜通量和分离因子磁力泵缓冲罐压力表冷却水循环机电脑水环真空泵冷凝管温度计膜组件加热罐电子天平图1真空膜蒸馏装置Fig.1Vacuum membrane distillation device任潇，刘贵彩，于水利，等：真空膜蒸馏分离乙醇溶液试验研究17工业用水与废水INDUSTRIAL WATER WASTEWATERVol53No6Dec.，2022来表示。膜通量为单位时间、单位有效膜面积产生的馏出液的质量。计算公式如下：式中：J为膜通量，kg（m2h）；W为馏出总质量，kg；S是膜有效面积，m2；t是收集时间，h。乙醇通量（J）计算公式如下：式中：1为馏出液中乙醇组分的质量分数。分离因子（）是表征膜对乙醇的分离的效果，其公式为：式中：为分离因子；2为原料液中乙醇组分的质量分数。2结果与讨论21进料温度对膜蒸馏处理乙醇溶液效能的影响采用真空膜蒸馏装置处理质量分数为10的乙醇溶液，在进料流速为400 Lh，真空度为0085 0090 MPa的试验条件下，考察进料温度对通量的影响，结果如图2所示。在进料流速和真空度保持不变时，通量随着进料温度的增加而增加。当温度从50 增加至75 时，膜通量从390 kg（m2h）增加至1990 kg（m2h），乙醇通量从184 kg（m2h）增加至917 kg（m2h）。膜通量的大小由膜两侧的饱和蒸汽压差决定，根据Antoine方程14，蒸汽压与膜表面温度呈指数关系，升高进料侧料液温度能增加膜表面温度，各挥发性组分蒸汽压随着温度的升高显著增大，导致传质动力增强，因此膜通量和乙醇通量会随着温度升高增加。22进料乙醇质量分数对膜蒸馏处理乙醇溶液效能的影响在 进 料 流 速 为400 Lh，真 空 度 为0085 0090 MPa，进料温度为60 的试验条件下，考察不同的进料乙醇质量分数对通量的影响，结果如图3所示。试验结果表明，在操作条件保持不变时，随着进料乙醇质量分数的增加，通量升高。当进水乙醇质量分数由5增大到17时，膜通量由851 kg（m2h）增大到1