聚丙烯腈中空纖維膜的制備及乙炔分離性能研究.pdf

1、乙炔是一種基礎(chǔ)化工原料，在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要地位，因此乙炔的分離純化備受關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的乙炔分離方法，膜吸收技術(shù)以其高效、節(jié)能的優(yōu)勢顯示出良好的應(yīng)用前景。本文采用膜吸收法對混合氣中的乙炔進(jìn)行分離，以N-甲基吡咯烷酮（NMP）為吸收劑，聚丙烯腈（PAN）為膜材料，通過熱處理、雜化、疏水改性的方法對PAN膜的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，從提高氣體滲透速率和降低膜潤濕兩方面來展開乙炔傳質(zhì)強(qiáng)化研究。研究內(nèi)容如下：
　　利用相轉(zhuǎn)化法制備聚丙烯腈中空纖

2、維膜，并對其進(jìn)行加熱處理，使其發(fā)生自交聯(lián)，耐溶劑性能提高，可穩(wěn)定存在于NMP的吸收體系中。采用制備的膜進(jìn)行乙炔分離過程研究，主要考察了氣液相流速、進(jìn)氣濃度及膜組件長度對乙炔傳質(zhì)速率和吸收率的影響；建立傳質(zhì)模型方程，對吸收過程中的傳質(zhì)進(jìn)行分析預(yù)測。結(jié)果表明，預(yù)氧化的聚丙烯腈中空纖維膜具有較好的耐溶劑性能，可成功用于膜吸收分離乙炔過程。乙炔的傳質(zhì)通量和吸收率隨液相流速的增加先增大后減??；隨氣相流速增加，乙炔傳質(zhì)通量增大，吸收率減小；維持氣液

3、兩相流速不變，乙炔的傳質(zhì)通量隨著進(jìn)料氣濃度增大而增大，吸收率隨之先增加后減小。在氣相流速為0.327 m/s，液相流速為0.00927 m/s，進(jìn)氣濃度為9％的條件下，乙炔吸收率為41.11%，傳質(zhì)通量為1.63×10-4 mol·m-2·s-1。
　　為改善熱處理造成的膜結(jié)構(gòu)致密，氣體滲透性能差，采用有機(jī)/無機(jī)雜化和熱處理相結(jié)合的方法制備PAN/SiO2中空纖維膜并用于乙炔吸收。通過二氧化硅進(jìn)行膜的主體結(jié)構(gòu)調(diào)控，強(qiáng)化乙炔的傳質(zhì)特

4、性。重點(diǎn)研究了無機(jī)填充顆粒對膜結(jié)構(gòu)和傳質(zhì)性能的調(diào)控作用，考察了S i O2的含量、熱處理溫度對乙炔傳質(zhì)性能的影響。結(jié)果顯示，SiO2的加入使膜孔徑和孔隙率增加，同時(shí)皮層厚度減小，從而使雜化膜氣體滲透性能增加，乙炔傳質(zhì)通量增加，分離效率提高；與PAN膜相比，含1wt%SiO2的雜化膜乙炔傳質(zhì)通量和吸收率分別提高101%，107%；通過調(diào)節(jié)工藝條件，在氣相流速為0.496 m/s，液相流速為0.0125 m/s，進(jìn)氣濃度為9%的條件下，乙炔

5、吸收率為79.35%，傳質(zhì)通量為5.85×10-4 mol·m-2·s-1。
　　為進(jìn)一步優(yōu)化膜性能，減小膜潤濕造成的傳質(zhì)阻力，通過在PAN/SiO2膜表面引入氟化二氧化硅（fSiO2）納米顆粒來制備PAN/SiO2-fSiO2中空纖維膜用于乙炔吸收。利用硅烷的水解縮聚在膜表面形成接枝的聚硅氧烷納米涂層來進(jìn)行膜表面結(jié)構(gòu)調(diào)控?？疾炝饲膀?qū)體溶液中硅烷含量、反應(yīng)時(shí)間對膜疏水性、機(jī)械性能及氣體滲透性能的影響，并用制備的膜進(jìn)行了長達(dá)90 h

6、的穩(wěn)定性能測試。結(jié)果表明，引入fS i O2層形成的納米結(jié)構(gòu)能夠有效增加膜表面粗糙程度，同時(shí)氟原子的存在使得膜表面能降低，膜表面水接觸角由52°增至142°，疏水性顯著增強(qiáng)；通過調(diào)節(jié)工藝條件，在氣相流速為0.496 m/s，液相流速為0.0125 m/s，進(jìn)氣濃度為9%的條件下，乙炔吸收率為77.17%，傳質(zhì)通量為5.69×10-4 mol·m-2·s-1；經(jīng)過長達(dá)90 h的穩(wěn)定性能測試后，膜傳質(zhì)通量僅衰減10%，此外，傳質(zhì)分析結(jié)果表明