渗透蒸发技术的发展与应用

1、渗透蒸发技术的发展与应用 MG0424120 罗莹渗透蒸发（pervaporation,简称PV）是一种新型的膜分离技术。其分离过程不受气液平衡的限制，对于使用传统分离技术能耗高，或费用高的分离体系，特别是近沸，恒沸体系，有其自身的优越性。对特定的分离任务，渗透蒸发与传统的分离方法相比还有能耗低、分离效果好、操作简单，不污染产品以及装置易于放大等优点。渗透蒸发与其他分离技术如精馏、萃取、吸收、结晶等互相耦合时，更显示出其极大的生命力。所以近20年来受到世界各国学者的高度重视并获得极大的进展，应用于诸多领域中。一. 渗透蒸发基本原理所谓渗透蒸发，是指被分离物通过膜时，在膜两侧组分的蒸气分压差作用

2、下，液体混合物部分地蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法其原理如图渗透蒸发膜液相气相液体混合物渗余物质真空泵气相透过物液相透过物冷却介质渗透蒸发技术不同于常规的膜分离技术，它在渗透过程中将产生由液相到气相的转变，相变的产生是由于透过产品在膜的下游侧的分压低于其饱和蒸气压。其分离机制为：(1)被分离物质在膜的进料侧有选择的吸附在膜表面(2)以扩散的形式在膜内渗透；(3)在膜的另一侧，变为气相与膜分离开。气相由真空泵抽取，经冷凝器冷凝成液体被收集。评价渗透蒸发过程的两个基本参数是渗透通量J和分离因子，以二元物系为例，可分别表示如下： 式中，下标A,B分别表示易渗透组分，难渗透组分;为分离因子，反

3、映膜的选择性；J为渗透通量，g/( m2·h); yA,yB分别为渗透液中的质量分数; xA,xB分别为原料液中的质量分数；w为渗透液质量, g; t为取样时间, h; A为膜的有限面积, m2渗透蒸发技术的优点为：（1)单级选择性好，适合分离近沸点、恒沸点的混合物，适合回收含量少的物质；(2)渗透蒸发过程简单，易于掌握；(3)在操作过程中，进料侧不加压，透过率不会随时间的增长而减小，膜的寿命长。缺点是渗透通量较小。 二. 渗透蒸发研究近况渗透蒸发膜的性能优劣是渗透蒸发技术能否工业化的关键。渗透蒸发膜应具有良好的选择性和渗透性。在应用过程中，膜的选择由被分离物质决定。分离不溶于水的有

4、机分子，如果汁中的芳香物质采用疏水膜；分离水或其它亲水性成分采用亲水膜。Pv过程主要使用复合膜。复合膜的复合层是起分离作用的活性层，需根据持分离组分的性质选用适当的复合层材料。 目前所使用的亲水膜主要有两大类。一类是由多糖构成的天然高分子膜，如按甲基纤维素(CMC)，藻朊酸（AGA)和壳聚糖(CS)。另一类是合成高分子膜，如聚乙烯醇(PV)。以下简单介绍这几种透水膜的分离性能。 （1)羧甲基纤维素(CMC) 是阴离子聚合物，是纤维素的单元结构葡萄糖残基中羟基被羧甲基取代的产物，亲水基因是CH2COOH。羧甲基的取代度是影响CMC的渗透蒸发性能的主要因素之一。(2)藻朊酸(AGA) 也是阴离子聚

5、合物，是从天然梅藻中提取的。它是由D甘露糖醛酸和L古洛糖醛酸组成的一种天然多糖物质，亲水基因是一C00H。Uragami等人和Mochizuki等人对AGA的PV透水性能研究表明，碱性藻朊酸盐对水具有非常高的渗透选择性。 (3)壳聚糖 是由天然多糖甲壳素制得的脱乙酰的阳离子聚合物，亲水基因是NH2。不同的脱乙酰度，其Pv透水性能差别很大。 (4)聚乙烯醇(PVA) 具有非离子亲水基因团oH，故对水有很强的亲和力，表现出高的渗透选择性。PVA由聚醋酸乙烯水解得到，不同的水解度其性能差别很大。疏水膜主要用于水中VOCs的分离，疏水膜最通用的膜材料是聚二甲基硅氧烷（PDMS)， 除了PDMS外，还有

6、其他许多的膜材料可以应用于水中V()Cs的脱除。聚氨基甲酸酯(PUR)膜也用于水中苯酚的脱除，PUR聚合物的链结构中不仅包含有利于有机物扩散的柔性链段也包含了提供机械强度的刚性链段。聚偏二氟乙烯(PVDF)是一结晶性的聚合物。所以具有很好的机械性能，它曾被用于水中苯的分离。乙烯一丙烯一二烯烃三元共聚物(EPDM)也已被用于水中甲苯、二氯甲烷的脱除试验。 另外的用于水中V()Cs分离的膜材料，如丁苯橡胶(SBR)、丁脂橡胶(NBR)、聚辛二烯、聚苯咪唑酮(PBL)、聚二苯氧基膦晴(PP()P)、聚醚一聚酰胺嵌段共聚物(PEBA)、聚乙烯及辐射改性聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯与丙烯酸正丁酯接枝共聚

7、物(HDPEgBA)等等也有过报道 三.渗透蒸发分离技术应用概况渗透蒸发技术由于具有惊人的单级高分离度，因而具有良好的应用前景。首先在二元恒沸有机溶剂的分离、异丙醇的脱水浓缩、无水乙醇的生产：等方面实现了工业化应用；目前，正在研究渗透蒸发技术在食品工业领域的应用，取得了很好的进展；下面介绍几项应用研究3.1 回收果计中的芳香物质 瑞典Lund大学的Hans OE Karlsson等人曾研究用Pv法回收苹果汁中的芳香物质。苹果汁中的香味物质包含大约300种挥发性物质其浓度大约为200PPM、主要是i酯类、醇类(主要是乙醇)和醛类物质。通常以香味的阐值末评价香味物质。所渭香味的阈值就是香味能被感觉

8、到的最低的香味物质溶液的浓度(溶剂为水)。酯类和醛类具有很低的阈值，是苹果汁香冻的重要成分。Hans OE Kylss011等人用PV法做了系列试验结果表明， 使用PDM5PTl00、PDMSPEI、PDMSPVDF这三种渗透蒸发膜能很好的回收苹果汁风味的主要成分物质。美国Illinolis大学的NRajagopalan试验用Pv法回收葡萄汁中的香味物质（Methylanth ranilate)取得了很好的效果且研究了操作条件的影响。 可见，采用渗透蒸发技术回收果汁中的芳香物质具有很好的应用前景。3.2 分离乳制品的香味物质 法国的Arnaud Baudot等人曾研完了两种乳制品的香昧物质Da

9、icetyl丁二酮)和SMethylthiobutanoatc的分离，丁二酮具有黄油的味道，存在于消毒牛乳、酸乳酪等产品中，是生产人选黄油或其它脂肪产品的主要风味添加剂，由乳峻混合发酵制取。但丁二酮在乳酸发酵液中浓度根低(30一170mg/kg)， 而且具有自我抑制性，制取的效率很低。目前研究将渗透蒸发技术与发酵结合起来。实验用PDMSl070膜，将发酵产生的丁二酮不断与发酵液分离，增加了丁二酮的产率，提高了品质。SMety1thiobutanoate居于硫酯(Thiocster)家族，具有很强的烹调花榔菜的味道，也是一种风昧添加剂，实验用PEBA40膜将其与发酵液分离，同样取得了很好的效果。

10、3.3处理废水 Zenon Envirnmental公司研制出十字流渗透蒸发系统该系统能去除废水中的挥发性有机化台物VOCs)、去除率高达9999。VOCs借助真空通过渗透蒸发膜，经冷凝成为液体，可降低挥发性物质的排放。3.4 制取低度酒 Hartmut Brueschke等人曾研究利用PV技术降低啤酒、白酒午的酒精含量。酒精和酒中的芳香物质通过渗透蒸发膜成为蒸汽。在030和05mBar50MBar的条件下，酒精被冷凝下来，可除去。而芳香物质经多级冷凝成为液体，与降低了酒精含量的酒相混合，保证了酒的风味。这样处理过的酒具有丰富的酒味，而且酒精含量并不高，是很有前途的一种产品。3.5 应用于蔬菜

11、工工业 日前研究用PV技术去除蔬菜加工中经漂白处理后所产生的废水中的臭味，即含硫化台物。这样能同时达到两个目的：(1)从环保角度看，去除了废水中的臭味；(2)从经济角度看，回收了有价值的挥发性的物质。四.结束语随着对渗透蒸发膜性能的不断研究，及对渗透蒸发分离条件的不断实验总结，渗透蒸发膜分离技术作为种有效的分离技术，经过不断发展、完善，将会在分离工业领域有着更广泛的应用。五，参考文献1， 几种新型膜分离技术及其在食品工业中的运用 李英杰 广州食品工业科技2， 膜技术在废水处理中的运用 谭平华3， 渗透蒸发脱除水中挥发性有机物的研究进展 田秀枝4， 无水乙醇制备新工艺 王莅5， 谭淑娟，肖泽仪，李磊，武法文，徐志宏，张志炳. 精细化工，2003, 20（2）：696，A new integrated membrane process for producing clari®ed apple juice and apple juice aroma concentrate Journal of Food Engineering 46 (2000) 109±1257，Scale-up of pervaporation for the recovery of natural aroma compou