脱气膜与气态膜过程的疏水微孔膜
发布时间:2017-08-09
脱气膜过程、气态膜分离过程均是基于微孔疏水膜的膜分离过程。脱气膜主要用于纯水中的氧气、二氧化碳的脱除,而气态膜过程主要用于废水氨氮脱除,即膜法脱氨或脱氨膜。微孔疏水膜的常见膜形式是中空纤维式和平板式,中空纤维式微孔疏水膜因不需要支撑体、装填密度大、单位体积内提供高接触面积、组件放大效应小等优点,而在实际分离过程应用广泛。
用微孔疏水膜把两种液体隔开,为了防止一侧液体透过膜孔穿透至另外一侧,膜两侧的压力差必须小于穿透压力ΔPentry,否则微孔就会被液体润湿甚至穿透(发生泄漏):
ΔPentry = - 2 B γL cosθ / rmax
其中,rmax是膜上最大微孔的半径,θ 为液固接触角,B是形状校正因子,γL 为液体表面张力。表面张力使得气液界面存在一定的压差,如果料液输送压力大于微孔的进入压力Pentry,液体会润湿膜孔甚至穿透发生泄漏;膜孔一旦被润湿,即使降低压力也很难恢复膜的疏水性。当液体表面张力越大、膜孔半径越小、液固接触角越大时,膜孔越不易被润湿。疏水性膜的接触角θ>90°;超疏水性膜的接触角θ>150°且滚动角<10°。影响膜材料疏水性的因素主要有两个方面:(1)表面自由能:膜材料本身的化学结构与组成;(2)表面微细结构:粗糙表面能增强疏水性。
微孔疏水膜的微孔孔径通常为0.01-1.0μm,孔隙率30-80%,孔径太小,气体分子的扩散通量太小;膜孔太大,本体溶液会通过膜孔进入另一侧,影响分离效果。膜中微孔的结构特征,随膜材料、纺织工艺不同而不同。
疏水微孔膜的传质性能,与膜本身的材质和结构参数密切相关;不同挥发组分通过膜的选择性主要取决于各组分的扩散性能。
常用微孔疏水膜材料:PP膜、PVDF膜、PTFE膜。其中PP膜的纺制工艺有熔融拉伸、热致相分离,价格低廉,耐溶剂性、化学稳定性、热稳定性和疏水性相对较差;PVDF膜采用溶剂致相分离纺制,加工相对容易,性能适中,不耐强碱、强氧化性腐蚀;PTFE膜采用烧结法、拉伸法,性能良好,价格昂贵,制成中空纤维膜的难度较高。
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