真空膜蒸馏分离离子液体—水混合液用膜与过程研究

发布时间：2020-11-06 15:26

　　 离子液体作为一种绿色溶剂有望在能源和环境等问题中发挥重要的作用。但离子液体普遍价格昂贵,不可被直接排放,需对其进行回收。压力驱动型膜分离技术(如反渗透)是回收离子液体的有效方法之一。相比于反渗透技术,膜蒸馏技术由于不受渗透压影响,对非挥发性物质具有优异的截留性能,有望在离子液体回收中获得应用突破。然而,针对膜蒸馏分离离子液体-水混合液这一全新过程,膜材料选择、膜污染与润湿、过程传质与传热等问题尚待研究。针对上述问题,本文从膜制备、膜污染、过程优化等方面进行了较为系统的研究。主要结果如下:(1)采用等离子体技术对亲水聚丙烯腈膜(PAN)表面进行了疏水改性,制备了适用的疏水多孔膜。考察了等离子体的放电功率对PAN膜表面疏水性、形貌、表面孔径和孔隙率等参数的影响。与原PAN膜相比,改性PAN膜(PAN-C膜)的接触角由45°增加至132°,表面孔径由24.6 nm增加至150.5 nm,表面孔隙率由7%增加至32.3%。改性膜中PAN-Cl膜(等离子体功率80 W)分离1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmim]Cl)水溶液的稳定性最好。此外,还考察了 PAN-Cl膜的化学稳定性,发现其具有较强的耐酸、耐有机溶剂和耐离子液体性能。(2)实现了高浓度[Bmim]Cl水溶液的真空膜蒸馏(VMD)高效浓缩。采用PAN-C 1膜浓缩20wt%的[Bmim]Cl水溶液,并对浓缩过程进行优化,结果表明PAN-Cl膜可将[Bmim]Cl水溶液浓缩至65.5%,膜的[Bmim]Cl截留率在90%以上,通量恢复率在95%以上,[Bmim]Cl的总回收率为99.5%。此外,在VMD浓缩[Bmim]Cl水溶液的过程,膜污染明显,膜污染形成过程如下:由于浓差极化和PAN-Cl膜的亲水化作用,导致[Bmim]Cl吸附至膜表面,膜污染开始形成(可逆污染);[Bmim]Cl在膜面不断累积时,并向膜面孔内迁移,导致膜面和表层润湿;最后[Bmim]Cl渗透进入膜的指状孔内,形成不可逆污染。(3)从离子液体与膜面相互作用角度进一步探明了 VMD分离离子液体-水混合液过程中的膜污染热力学机理。通过XDLVO(extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理论计算了不同膜与不同离子液体之间的相互作用能,结果表明,该类膜污染主要由表现为吸附作用的极性作用能(AB)控制。此外,膜面粗糙度越大,膜面极性越高(F/C比越小),膜面负电荷越少,离子液体浓度越高,离子液体与膜面越易相互吸引,导致膜污染加重。通过上述分析,选择了粗糙度低、F/C比高、表面负电荷多的商业聚四氟乙烯(PTFE)膜对[Bmim]Cl水溶液进行浓缩,发现该膜可将20 wt%的[Bmim]Cl水溶液浓缩至86.2 wt%。(4)建立了 VMD分离离子液体-水混合液的传质与传热过程。以纯水体系为依据,获得了适用于本实验组件的传热、传质经验公式,结合离子液体-水混合液的各个物性参数和经验公式建立了离子液体体系下的通量预测模型,预测值与实验值吻合度较高。利用预测模型计算了温差极化系数(TPC)和浓差极化系数(CPC),讨论了不同操作条件对其产生的影响。结果表明,该过程的浓差极化对通量造成的影响大于温差极化的影响。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X703
【部分图文】：

并在不少领域取得了成就。ＭＤ是将蒸发和膜分离技术结合在一起的分离技术，??该技术以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力，疏水性微孔膜为传递介质，只有挥发性组??份以蒸汽形式透过膜，而非挥发性组份被完全截留的分离过程［４］。图１．１是其过程示??意图。??▲?Ｌｉｑｕｉｄ?（二）Ｖａｐｏｒ?？Ｎｏｎ－ｖｏｌａｔｉｌｅ??１：?Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ?２：?Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?３：?Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ??Ｉ?＊?－?￣＂＂＂Ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｍａｔｒｉｘ￣??■■■■??３４??４??９?？?Ｐｈａｓｅ?ｂｏｕｎｄａｒｙ??Ｐｅｒｍｅａｔｅ?ｓｉｄｅ??（ｌｉｑｕｉｄ）?（ｌｉｑｕｉｄ）??图１．１膜蒸馏过程示意图［４］??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?［４１??ＭＤ的具体操作原理为［４］：由于膜的疏水性，原料液不能透过膜孔进入另一侧；??原料液中易挥发性组分在膜界面汽化，与渗透侧形成蒸汽分压差（压力梯度）；易挥??发性组分以蒸汽形式通过膜孔传递到膜的渗透侧，并冷凝成液体，而其它不挥发性组??分被截留。疏水膜的作用是作为两相间的屏障

Ｌｉｌｌ后经气隙在冷却板上冷凝。该过程中，气隙的存在降低了膜两侧的热效率高，但缺点是传质阻力大，膜通量较低，且该类型膜组件的结构较）吹扫式膜蒸馏（ＳＧＭＤ）?［７’］２］??下游侧的蒸汽被流动的干燥气体带出膜组件并冷凝。该过程热传导损失较小，通量较大。但挥发组份不易冷凝，且需要较高的气体吹扫速度，目前多为实验室研宄。??

也称之为室温离子液体、室温熔融盐等［５１，５２］。不同阴阳离子的自由组合可形??成种类繁多的离子液体，其种类以组成的阳离子结构来划分，分为咪唑类、吡啶类、??吡咯类、季膦类、季铵类、胍类、氨基酸类和锍盐类等（如图１．３所示）［５３］。常见的??阴离子有卤素离子（Ｆ＇?Ｃｆ，Ｂｒ＿，１＿）、四氟硼酸根离子（［ＢＦ４ｆ）、六氟磷酸根离子??（［ＰＦ６；ｆ）等。此外，阴阳离子的尺寸差别越大，结构对称性越低，则分子间作用力??越弱，离子液体的熔点就越低；离子液体的粘度主要由阳离子产生的氢键和范德华力??所决定；而离子液体烷基侧链的长度和阴离子种类决定离子液体的亲疏水性，例如，??
【参考文献】

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本文编号：2873317