复合溶液膜吸收CO2的性能及其对膜孔润湿的影响

利用自行搭建的CO₂膜吸收实验台，采用聚丙烯（PP）膜组件，以质量分数10%的N-甲基二乙醇胺（MDEA）作为主体胺溶液，添加不同配比的哌嗪（PZ）、乙醇胺（MEA）、甘氨酸钾（PG），考察CO₂脱除效率和传质速率的变化，比较不同复配比的复合溶液表面张力以及对PP膜的浸润性，并以10%MDEA+10%PG混合溶液作为吸收液进行长时间实验。结果表明：添加少量的添加剂对MDEA溶液膜吸收CO₂均有显著的促进作用，当配比小于0.2时，促进作用大小为PZ>MEA>PG；当配比大于0.2时，促进作用大小为PZ>PG>MEA；PZ和MEA均随着添加配比的增加，溶液表面张力减小，而PG相反；表面张力小的溶液对膜浸润性较强，容易造成膜润湿；添加剂质量分数均为10%时，对膜溶胀性和疏水性以及膜孔结构影响大小为PZ>MEA>PG；在20天内，PG/MDEA混合溶液作用下的CO₂脱除效率从89.56%下降为83.09%，对PP的疏水性影响较小，膜组件可以稳定运行。吸收液表面张力对膜吸收法脱除CO₂性能的影响显著。所得结果可为膜吸收CO₂吸收剂复配提供依据，并可为揭示膜吸收CO₂过程中膜润湿导致膜失效的机理以及抑制膜润湿提供实验数据。     

膜蒸馏用疏水性微孔膜研究进展

从膜蒸馏传质传热方面分析了疏水性微孔膜的最佳性能参数,叙述了近年来适用于膜蒸馏过程的膜材料、制备方法以及超疏水改性方法,分析了不同构型的膜组件优缺点、膜组件内部结构对膜蒸馏性能的影响和一些新膜组件设计形式,介绍了膜蒸馏过程中的难点:膜污染和膜润湿;分析了膜污染和膜润湿的类型和原因和膜污染和膜润湿检测方法,并归纳了常见的预防和恢复措施,探讨了膜蒸馏技术的应用前景和研究发展方向,主要有膜蒸馏过程中膜污染和润湿机理的研究、抗污染润湿膜的开发及其工业化应用、膜蒸馏商用膜组件的设计及优化等。     

膜吸收CO2工艺中不同吸收液对膜润湿的影响

以单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和N-甲基二乙醇胺（MDEA）作为吸收液,利用聚丙烯（PP）中空纤维膜组件进行分离模拟烟气中CO₂的实验研究,考察不同吸收液的脱除效率以及长时间连续运行下的膜润湿现象。建立膜相传质阻力随时间变化模型,与实验数据拟合较好。同时将膜丝在不同吸收剂中浸泡,结合接触角、场发射扫描电镜（FE-SEM）、衰减全反射红外光谱（ATR-IR）以及热重（TG）表征分析膜性能的改变。结果表明,相同浓度下,单一吸收剂的CO₂脱除效率大小为MEA > DEA > MDEA;当吸收液为1mol/L MEA时,16天后CO₂脱除效率从93.3%下降到72.1%;而吸收液为1mol/L DEA时,脱除效率从88.3%到第16天的78%,下降约12%;理论计算得吸收液为1mol/L MEA和1mol/L DEA时,膜相传质阻力分别为10564.06s/m和4881.08s/m;浸渍时间增加,膜接触角减小,疏水性减弱,同时膜孔径变大,出现润湿现象;红外光谱和热重分析表明在MEA溶液作用下膜丝出现溶胀。     

中空纤维膜吸收烟气二氧化硫

本文综述了国内外用膜吸收法治理烟气二氧化硫的研究现状,对采用中空纤维膜吸收过程中的膜组件操作方式、吸收剂、膜材料以及工艺参数的选择进行了介绍,并应用双膜理论对中空纤维膜吸收二氧化硫过程中的各分传质系数和总传质系数进行了推导,初步探讨了建立膜吸收过程数学模型的方法。     

膜气吸收法分离烟气中CO2的实验

采用聚丙烯中空纤维膜接触器,分别用去离子水、单乙醇胺（MEA）及N-甲基二乙醇胺（MDEA）水溶液作为吸收剂,对模拟烟气中的CO2分离进行了试验研究.考察了气体流速、入口气体中CO2体积分数、吸收剂流速、吸收剂浓度以及吸收剂种类等因素对CO2脱除率和总传质速率的影响.实验结果显示：3种吸收剂分离CO2的效率由大到小依次为MEA、MDEA、去离子水;CO2的脱除率和传质通量随吸收剂浓度、流速的提高均增加;CO2的脱除率随气体流速和CO2在入口气体中体积分数的增大而减小,而传质速率却随之增加.系统长时间运行后发现存在膜孔润湿现象,进而影响膜的传质性能.因此,吸收剂浓度须在传质和长时间运行性能之间进行权衡.     

聚丙烯中空纤维膜组件分离烟气中的CO2

膜吸收法在大型工业燃煤电厂二氧化碳（CO2）捕集方面具有很好的应用前景,但烟气组分对该技术效果影响还有待进一步研究。本文以单乙醇胺（MEA）为吸收剂,开展了疏水性聚丙烯（PP）中空纤维膜组件分离模拟烟气中的CO2的实验研究,考察了吸收操作条件以及燃煤烟气中水汽和SO2对膜组件吸收效率的影响。结果表明,试验的最佳液气比为24 L/m3;MEA的浓度为0.6 mol/L;膜组件进口的温度变化对吸收效率基本没有影响;CO2的浓度在10%～20%内变动对吸收效率影响不大。与CO2相比,SO2会优先发生吸收作用,而水汽则会吸附在聚丙烯中空纤维膜组件的孔壁上,产生毛细管凝聚现象,阻塞CO2的渗透吸收。     

高压膜吸收天然气脱碳研究进展

综述了近年来高压膜吸收技术在天然气脱碳过程中的应用和研究进展,对膜材料、吸收剂、操作条件、过程模拟及膜润湿等方面进行了介绍和探讨,并展望了该技术的发展趋势与方向。     

新型膜组件MBR启动运行Anammox工艺及膜污染控制

膜生物反应器（MBR）作为一种高效的厌氧氨氧化（Anaerobic ammonia oxidation,Anammox）反应器受到研究者的广泛关注。然而，膜污染问题制约了MBR在Anammox领域的工程应用。为了减缓膜污染的形成，设计了一种新型伞式膜组件，再在这种膜组件的基础上构建MBR用于启动运行Anammox工艺，通过形成特定的流场结构强化膜附近水流剪切力和水流速度，从而实现膜组件的自清洗，进而延长膜组件的使用周期。该反应器经55 d运行成功启动Anammox工艺，直到运行81 d才达到更换膜组件的条件（跨膜压力达到0.045 MPa）。结果表明，新型膜组件MBR不仅可以缩短Anammox工艺的启动周期，还可以有效缓解膜污染。扫描电镜结果表明，运行81 d的膜组件表面形成了明显的滤饼层，其主要污染物为具有花椰菜结构的厌氧氨氧化菌（AnAOB）及生长代谢产物。同时利用Ansys Fluent模拟工艺运行过程中伞式膜组件周围的流场结构，从流体动力学角度解释了伞式膜组件缓解膜污染的机理。研究表明，膜组件附近强化的水流剪切力和水流速度作用于展开的膜丝，显著减缓滤饼层的形成。     

膜蒸馏脱盐中膜污染与膜润湿的研究进展

膜蒸馏作为一种脱盐的新兴技术受到广泛关注。然而,因为实际水质组分复杂,可能含有如表面活性剂、油类物质、易结垢盐和有机溶剂等污染物,导致一般疏水膜在长时间运行情况下极易发生膜污染或者膜润湿,最终造成膜通量或截留性能降低。本文首先简述了不同种类的膜污染和膜润湿的特点及形成原因,并分析了膜污染和膜润湿之间的区别和联系。对膜蒸馏过程中膜污染和膜润湿的监测和预测手段进行了简要介绍,最后针对膜蒸馏脱盐过程,重点介绍了近几年国内外预防膜污染和膜润湿的研究进展。研究者一般从污染物与疏水膜的相互作用力着手对疏水膜进行表面改性制备全疏膜和Janus复合膜,避免污染物在膜面的吸附以及抑制表面或孔道润湿。越来越多的研究人员采用致密亲水膜的渗透汽化脱盐来从根本上避免疏水膜带来的润湿。除此之外,对进料液进行预处理也能显著延迟膜的污染和润湿,如混凝/沉淀、膜过滤、煮沸、pH调控等,还可通过改变进料方式、辅助外加磁场等措施控制膜表面局部区域的流体力学状态,减少污染物的附着。适当的膜后处理措施也能恢复膜性能。最后,文章指出了解决膜蒸馏中膜污染和膜润湿的研究方向。     

中空纤维膜组件分离酸性气体

研究了气体膜分离与溶剂吸收相结合的分离技术.以NaOH水溶液为吸收剂,在中空纤维膜组件中实现二氧化硫气体的选择性吸收.研究了在三种不同结构的疏水性聚丙烯中空纤维膜组件中,吸收剂浓度、液速、气速、气液两相在膜组件内的流程、膜结构等对分离过程的影响;根据膜结构的实际参数确定了多孔膜的曲率因子,总传质系数的计算值与实验值相符.     

膜蒸馏脱盐过程膜润湿的研究进展

膜蒸馏（MD）适合在偏远地区小规模制备淡水,有脱盐率高、接近常压操作、可利用太阳能等优势。但MD膜润湿影响了装置的运行稳定性,是制约MD脱盐应用的重要因素之一。本文介绍了MD膜润湿的评价方法,包括测定透水压力、临界膜孔润湿深度及可视化在线监测膜润湿进程等;简述了膜污染、MD操作变量、膜蒸馏形式及不同结垢晶体各因素对膜润湿的影响;从防垢和强化通量、掌握合适的膜清洗周期、物理干预及提升MD膜性能等方面分析了抑制膜润湿的措施;并分析了一些脱盐实验时间较长的MD膜润湿情况;指出具有自清洁性的光催化膜及防垢性能更强的双疏膜和Janus膜,具有抑制MD膜润湿的巨大潜力。本文有助于对脱盐过程中MD膜润湿的预测和有效控制。     

疏水性单管陶瓷膜接触器在SO2吸收中的应用

对平均孔径200 nm的氧化锆陶瓷膜进行疏水改性与表征,并将其组装制成疏水性单管陶瓷膜接触器,采用清水作为低成本吸收液,开展了陶瓷膜接触器在废气脱硫方面应用的研究。比较了亲、疏水陶瓷膜接触器的传质性能,考察了进气流量、吸收液流量、进气浓度和吸收液温度等因素对SO₂脱除率和传质速率的影响,并对陶瓷膜接触器进行了长期稳定性测试。研究表明,疏水改性只改变陶瓷膜的表面性质（接触角达到132°）,对形貌结构影响较小;与未改性的陶瓷膜相比具有更高的脱硫效率和总传质系数。SO₂的脱除率和传质速率随吸收液流量的增加均增加;SO₂的脱除率随进气流量和进气浓度的增加而降低,但传质速率增加;吸收液温度的升高不利于SO₂的吸收;原料气中的CO₂对SO₂的脱除率影响较小。与传统的填料塔相比,陶瓷膜接触器具有更小的传质单元高度（HTU）值。陶瓷膜接触器脱硫效率高,可稳定操作,在废气脱硫方面具有良好的应用前景。     

Determination of mass transfer resistance during absorption of carbon dioxide by mixed absorbents in PVDF and PP membrane contactor

In this study, the absorption of carbon dioxide by the absorbent which was composed of 2-amino-2-methyl-l-propanol (AMP) + piperazine (PZ) or methyldiethanolamine (MDEA) + piperazine (PZ) in polyvinylidinefluoride (PVDF) and polypropylene (PP) membrane contactors werewas examined. Three resistances were considered in each hollow fiber, i.e., liquid-film diffusion, membrane diffusion, and gas-film diffusion. The mass transfer resistance of membrane k_m was influenced by the wetting ratio using an absorbent with higher reaction rate. The wetting ratio was affected by contact angle between the membrane and absorbent and the viscosity of absorbent. The calculated absorption rates considering wetting ratio of membrane and using the modified correlation equation of gas-phase mass transfer coefficient were reasonably agreeable to those of measured ones (standard deviation, 4%). The fractional resistance of each transport step during the experiments was then determined. The rate-controlling step was dominated by the resistance of gas-film diffusion with mixed absorbents. The absorption rates of CO₂ increase with the increasing of gas flow rates in the most experimental cases. The resistance of liquid-film diffusion was only important using an absorbent with lower reaction rate. The rate-controlling step was the membrane diffusion only at higher gas flow rate with the absorbent composed of AMP and PZ in PVDF hollow fiber membrane contactor.     

Experimental study on membrane wetting in gas–liquid membrane contacting process for CO2 absorption by single and mixed absorbents

The membrane wetting by the liquid absorbents is an important problem in the operation of gas–liquid membrane contacting process. In order to gain a better understanding on the role of absorbents on membrane wetting, monoethanolamine (MEA, primary amine), diethanolamine (DEA, secondary amine), and 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP, sterically hindred amine) were applied as absorbent solutions. The membrane used for the experiments was the hollow fiber polyvinylidenefluoride (PVDF) membrane. The performance of both single and mixed amine solutions on the CO₂ absorption capacity and membrane wetting potential were investigated. In addition, sodium chloride (NaCl, inorganic salt) and sodium glycinate (SG, organic salt) were added into the MEA aqueous solution to observe CO₂ flux and membrane wetting.The results revealed that the use of MEA solution and SG as absorbents gave highest CO₂ flux. The overall mass transfer coefficients obtained from the experiments also showed the same trend as CO₂ flux, i.e, the values were in the following order: MEA> AMP > DEA. However, the long-term flux was monitored and it was found that MEA also gave lowest flux decline due to the membrane wetting. The use of mixed amine solutions and the addition of NaCl did not help protect the membrane wetting. On the contrary, the addition of SG in to MEA solution can improve flux and resulted in stable CO₂ flux indicating that the membrane wetting was negligible.     

腐殖酸聚集体对膜蒸馏过程膜污染的作用机理

膜污染是膜蒸馏过程应用于工业水处理中遇到的主要问题之一。选取水体中具有代表性的有机物（腐殖酸）、微溶无机盐（碳酸钙）作为典型污染物,研究有机腐殖酸聚集体对于膜蒸馏过程膜污染进程的影响规律,探讨天然有机物-无机微溶盐混合水体中腐殖酸聚集体对于无机盐结晶过程的控制机理。结果表明：膜蒸馏通量的衰减大致可分为由滤饼层的形成造成的不可恢复部分以及由浓差极化、膜孔“半润湿”而造成的可部分恢复的通量降低。Ca²⁺通过加速腐殖酸分子的聚集过程,使表面负电性降低的腐殖酸聚集体率先吸附在聚偏氟乙烯中空纤维膜内表面,形成有机基质污染层;碳酸钙在有机腐殖酸聚集体的诱导下在膜内表面异相成核,最终成长为稳定的晶体。腐殖酸聚集体为无机盐晶体在疏水性膜内表面的生长提供了异相成核的基础。可通过控制污染水体中有机物的含量控制微溶碳酸钙在膜内表面成核及生长,实现控制其在膜内表面附着进而诱发疏水膜发生亲水化的过程。     

陶瓷膜接触器化学吸收氮氧化物的传质过程与阻力分析

针对选择性催化还原技术(SCR)存在装置大、运行费用高、催化剂中毒失活等问题,将平均孔径为100 nm的Al₂O₃陶瓷膜进行疏水改性并组装成膜接触器,以NaClO₂水溶液为吸收液,开展陶瓷膜接触器在烟气脱硝领域的应用研究。考察了陶瓷膜接触器在化学吸收脱硝中的稳定性,以及气体流量、吸收液浓度、吸收液流量、吸收液pH等因素对NO脱除率和传质通量的影响,基于阻力串联模型,建立总传质系数方程。研究表明,陶瓷膜接触器在连续600 min运行过程中,NO的脱除效率及传质通量分别稳定在99%和0.038 mol·m^-2·h^-1左右。进气流量的增加会促进NO的吸收,吸收液pH=3时具有最高的氧化吸收性能,同时提高吸收液的浓度会增强NO的脱除效果。NO的传质过程同时受气、液、膜三相阻力控制,传质阻力分析结果表明,可以通过增加气体流速减小气相阻力,增加吸收液浓度同时降低pH减小液相阻力。本研究在烟气脱硝领域具有良好的应用前景。     

Fabrication and characterization of poly(vinylidene fluoride)–polytetrafluoroethylene composite membrane for CO2 absorption in gas–liquid contacting process

The wetting resistance of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membrane is a critical factor which determines the carbon dioxide (CO₂) absorption performance of the gas–liquid membrane contactors. In this study, the composite PVDF–polytetrafluoroethylene (PTFE) hollow fiber membranes were fabricated through dry-jet wet phase-inversion method by dispersing PTFE nanoparticles into PVDF solution and adopting phosphoric acid as nonsolvent additive. Compared with the PVDF membrane, the composite membranes presented higher CO₂ absorption flux due to their higher effective surface porosity and surface hydrophobicity. The composite membrane with addition of 5 wt % PTFE in the dope gained the optimum CO₂ absorption flux of 9.84 × 10⁻⁴ and 2.02 × 10⁻³ mol m⁻² s⁻¹ at an inlet gas (CO₂/N₂ = 19/81, v/v) flow rate of 100 mL min⁻¹ by using distilled water and aqueous diethanolamine solution, respectively. Moreover, the 5% PTFE membrane showed better long-term stability than the PVDF membrane regardless of different types of absorbent, indicating that polymer blending demonstrates great potential for gas separation. © 2019 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2019 , 136, 47767.     

可逆气态膜-多效膜蒸馏-精馏过程脱除水相氨氮副产氨水

可逆气态膜-多效膜蒸馏-精馏耦合工艺可用于脱除料液或废水中的氨氮并得到高纯浓氨水。考察了磷酸二氢铵为可逆吸收剂时气态膜法脱氨效果和多效膜蒸馏-精馏法吸收完成液再生效果。实验结果表明:可逆气态膜总传质系数K和单程氨氮脱除率η分别可达13.9 μm·s^-1和97.5%,废水氨氮值可降至5 mg·L^-1以下;吸收完成液经多效膜蒸馏预浓缩后再经精馏再生可同时得到浓度为5%～18%的氨水。该耦合过程电耗极小的同时蒸汽耗量为28~40 kg·m^-3废水,约为单纯精馏过程的1/5。此外气态膜脱氨和多效膜蒸馏预浓缩过程有效地阻止了废水中挥发性杂质进入浓氨水产品。该过程对气态膜和膜蒸馏用微孔疏水膜组件的稳定性要求苛刻,长期操作试验显示聚四氟乙烯膜能够满足此要求。