[詳細講解]滲透汽化膜分離實驗

2024年3月14日發(作者：瑰麗的拼音)

膜分離是一項新興的高效分離技術。膜分離過程是被分離混合物在一定的推動力

(如壓差、濃差、電位差等)作用下，通過傳遞介質——膜，進行分離的過程。滲

透汽化(pervaporatioion，PV)是一種新型膜分離技術，它利用膜對液體混合物中

組分的溶解擴散性能的不同來實現分離。它過程簡單，操作方便，能耗低，在恒

沸物、沸點相近混合物和異構體的分離上相對于精餾等傳統分離方法具有其獨特

的優越性；對含有少量水的有機溶劑或混合溶劑脫水以及含有少量有機污染物的

廢水的處理也有明顯的技術、設備和經濟方面的優勢。作為一項方興未艾的新技

術，滲透汽化技術正受到越來越廣泛的關注和研究，它在石化、食品、環保等方

面具有的廣闊酌應用前景，正得到不斷的開發和利用。

滲透蒸發 (滲透汽化) 是有相變的膜滲透過程。滲透蒸發是在膜的下游側減

壓，組分在膜兩側蒸汽壓差的推動下，首先選擇性地溶解在膜的料液表面，再擴

散透過膜，最后在膜的透過側表面氣化、解吸。滲透蒸發可使含量極低的溶質透

過膜，達到與大量溶劑分離的目的。顯然，用滲透蒸發技術分離液體混合物，特

別是恒沸物、近沸物，具有過程簡單、操作方便、效率高、能耗低和無污染等優

點。

一、實驗目的與內容

1. 理解滲透蒸發的分離原理。

2. 掌握滲透蒸發分離乙醇——水的操作方法。

3.

研究影響滲透蒸發分離性能的主要因素及其影響規律。

二、實驗原理

當液體溫合物在一張高分子膜的表面流動時，膜在高分子所含官能團的作用

下對混合物中各組分產生吸附作用，使得組分進入膜表面(該步驟稱為溶解過

程)。膜的另一側抽真空(或者用惰性氣體吹掃)，在濃度梯度作用下，組分透過膜

從料液側遷移到真空側(該步驟稱為擴散過程)，解吸并冷凝后得到透過產品。整

個傳質過程中液體在膜中的溶解和擴散占重要地位，而透過側的蒸發傳質阻力相

對小得多，通常可以忽略不計，因此該過程主要受控于溶解及擴散步驟。

由于不同組分在膜中的溶解和擴散速度不同，使得優先透過組分在真空側得

到富集，而難透過組分在料液側得到富集。這便是滲透汽化的基本原理，其流程

如圖12－1所示。

液體混合物原料被加熱到一定溫度后，在常壓下送入膜分離器，在膜的下游

側用抽真空的方法維持低壓。滲透物組分在膜兩側的蒸汽分壓差（或化學位梯度）

的推動下透過膜，并在膜的下游側汽化，進而被冷凝成液體而除去。不能透過膜

的截留物從膜的上游側流出分離器。整個傳質過程中滲透物組分在膜中的溶解和

擴散占重要地位，而透過側的蒸發傳質阻力相對要小得多，通常可以忽略不計，

因此該過程主要受溶解及擴散步驟控制。

衡量滲透蒸發過程的主要指標是分離因子（α）和滲透通量（J）。分離因子

定義為兩組分在透過液中的組成比與原料液中組成比的比值，它反映了膜對組分

的選擇透過性。滲透通量定義為單位膜面積上單位時間內透過的組分質量，它反

映了組分透過膜的速率。分離因子與滲透通量的計算方法為：

?

?

J

?

y

A

?

(1

?

x

A

)

x

A

?

(1

?

y

A

)

w

( g

?

m

-2

?

h

?

1

)

A

??

t

x

?

x

原料液濃度

x

A

?

A1A2

2

x

A1

——實驗前原料液濃度，x

A2

——實驗結束時原料液濃度，y

A

——透過液

濃度，w——透過液質量（g），A——膜的有效傳質面積(m

2

)，△t——操作時間，

x

A

——原料液濃度。

三、實驗裝置與流程

⒈ 實驗裝置

2

本實驗設備的膜室有效面積為3846mm，透過側的真空由真空泵抽吸形成，最小壓力

可達到絕壓2KPa，膜室的操作溫度為室溫至90℃。

⒉ 實驗流程

圖12－2 滲透蒸發實驗裝置及流程示意圖

1-原料罐 2-液位 3-加熱棒 4-料罐溫度 5-轉子流量計

6-料泵 7-放液閥 8-膜室壓力計 9-溫度計 10-膜組件11取樣瓶

12-冷井 13-真空計 14-真空表 15-緩沖罐 16-真空泵

實驗裝置及流程如圖12－2所示。裝置中主要由原料罐1，進料泵，膜組件，取樣瓶，

緩沖罐及真空泵等組成。

四、實驗方法

1. 在原料罐中配置一定濃度的原料液（本實驗采用95%酒精），使液面達到液位計的2/3

高度以上，以免電加熱器干燒損壞；將膜裝入膜室，擰緊螺栓；調整料液溫度至適當值，

開啟料液加熱器，打開進料泵，開始循環料液，使料液溫度和濃度趨于均勻。

2. 用氣相色譜儀測定原料液濃度（x

A1

）。

3. 將滲透液收集管用電子天平稱重后（w

1

），裝入冷阱中，再安裝到管路上，打開真空管

路并檢漏。

4. 當料液溫度恒定后，開啟真空泵，打開真空管路閥門，觀察系統的真空情況；待真空管

路的壓力達到預定值后，裝上液氮冷卻裝置，開始進行滲透蒸發實驗，同時讀取開始時

間，料液溫度、滲透側壓力、料液流量等數據。

5. 達到預定的實驗時間后，關掉真空泵，立即取下冷凝管，塞好塞子（質量為w

2

），放在

室溫條件下，待產品融化后，擦凈冷凝管外壁上的冷凝小水滴，稱重（w

3

），實驗結束

后，用氣相色譜法檢測原料液濃度（x

A2

）和透過液濃度（y

A

）。

6.

打開真空泵前緩沖罐下的放空閥，關閉真空泵，關閉進料泵，結束實驗。

五、報告內容

比較不同進料溫度、組成、膜下游側真空度等對膜分離性能的影響，并對結果進行分析。

六、思考題

1．閱讀參考文獻，回答什么是濃差極化？有什么危害？有哪些消除的方法？

2．比較滲透汽化與精餾的優缺點。