[01818005]透水性分子筛膜用于有机溶剂脱水的规模化膜分离技术

无水级有机溶剂在化工领域不可或缺。对于有机溶剂-水形成的共沸混合物,传统的分离采用共沸精馏、萃取精馏或吸附等方法,存在能耗高、工艺流程复杂和效益低等缺点。近年来发展起来的渗透汽化膜分离技术,采用透水性渗透膜进行有机物中少量水和微量水的脱除,以及采用疏水性渗透汽化膜进行水中少量有机物的回收,表现出低能耗、不引入第三组分、环境友好和易于集成等优势,节约能耗达40%-70%。 渗透汽化膜分离过程（包括蒸气渗透）的研究始于20世纪初,但研究尚不系统。20世纪50年代末Amoco公司Binning等人利用纤维素膜和聚乙烯膜对渗透汽化过程分离碳氢化合物和醇/水混合物进行了系统的研究,并建立了约0.1m2膜面积的间歇性渗透蒸发装置,该研究工作受到了广泛关注,极大地推动了渗透汽化技术的研究。德国GFT公司在20世纪70年代中期率先开发出优先透水的聚乙烯醇/聚丙烯腈复合膜,于1982年在巴西应用于乙醇脱水制无水乙醇。我国清华大学也自行开发出PVA脱水膜并应用于醇水分离技术,在广东、山东、辽宁、四川等地应用。目前,全球渗透汽化膜的市场正在以较快的速度增长,1998年渗透蒸发膜及组件的销售额已经超过1千万美元,2004年达到4.5亿美元。以上使用的渗透汽化膜都是有机膜,然而,有机膜材料存在易溶胀、热化学稳定性差等缺点,并且难以同时获得高通量和高选择性,使其在有机溶剂脱水领域的应用受到了限制。分子筛膜是一类具有规则微孔道结构的无机膜材料,利用孔道的选择性吸附-扩散和筛分特性实现组分的分离,同时具有高的通量、选择性和稳定性,已成为新一代重要的有机溶剂脱水膜材料。其中,NaA分子筛膜的研究最为广泛和成熟,该膜已经于1999年由日本三井造船株式会社实施产业化,膜的通量大大超过有机膜,能达到2.15 kg m-2 h-1。但是该种膜材料应用在有机溶剂脱水过程中的前段膜组件易损坏,加大膜元件的更换成本。从膜材料本身的性能而言仍然有较大的提升空间且陶瓷支撑体材料较贵,易损坏。以上几点制约了分子筛膜在有机溶剂脱水领域的大范围推广应用。 本课题组根据有机溶剂脱水市场的需求,以产业化为目标,开展高通量透水性分子筛膜大规模化制备及工业应用的相关技术开发,开发出一次合成50 根工业规格NaA和MOR型分子筛膜的膜制备技术,形成单釜年产200 m2 分子筛膜和总年产1000 m2 生产能力;开发出10 m2 的工业膜组件,研究出NaA型分子筛膜和MOR型分子筛膜耦合分离技术, 稳定性更好的MOR型分子筛膜取代前段膜组件中易受损的NaA膜,膜元件的更换成本大幅度减小。开发出1 万吨/年燃料乙醇分子筛膜分离工业应用技术,该技术经过相关企业连续三个月的应用,原料侧乙醇浓度90-93%时,产品浓度大于99.5%,膜平均通量大于2.0 kg·m-2·h-1,与当前最先进吸附工艺相比,降低成本15％。该技术同时适用于异丁醇、异丁醇等有机溶剂脱水。