渗透汽化技术简介及在水处理中的应用

渗透汽化技术简介及在水处理中的应用
渗透汽化(pervaporation,即 permeation vaporation,简称 PV),最先由Kober于20世纪初提出，是近年来发展比较迅速的一种膜技术，它是利用膜对液体混合物中各组分的溶解性不同及各组分在膜中的扩散速度不同从而得以达到分离目的。

原则上适用于一切液体混合物的分离，具有一次性分离度高、设备简单、无污染、低能耗等优点，尤其是对于共沸或近沸的混合体系的分离、纯化具有特别的优势，是最有希望取代精馅过程的膜分离技术。

我国在1984年前后开始对渗透汽化过程进行研究，主要工作集中在优先透水膜的研制与醇水溶液的脱水。

近年来主要开展优先透有机物膜、水中有机物脱除、有机物一有机物分离以及渗透汽化与反应耦合集中过程的研究。

一、渗透汽化的主要形式
按照形成膜两侧蒸汽压差的方法，渗透汽化主要有以下几种形式。

(1)减压渗透汽化
膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧组分的蒸汽压差。

在实验室中若不需收集透过侧物料，用该法最方便。

(2)加热渗透汽化
通过料液加热和透过侧冷凝的方法，形成膜两侧组分的蒸汽压差。

一般冷凝和加热费用远小于真空泵的费用，且操作也比较简单，但传质动力比第一类小。

(3)吹扫渗透汽化
用载气吹扫膜的透过侧，以带走透过组分，吹扫气需经冷却冷凝，以回收透过组分，载气循环使用。

(4)冷凝渗透汽化
当透过组分与水不互溶时，可用低压水蒸气作为吹扫载气，冷凝后水与透过组分分层后，水经蒸发器蒸发重新使用。

渗透汽化与反渗透、超滤及气体分离等膜分离技术的最大区别在于物料透过膜时将产生相变。

因此在操作过程中必须不断加入至少相当于盘过物汽化潜热的热量，才能维持一定的操作温度。

二、渗透汽化的特点
(1)分离系数大。

针对不同物系的性质，选用适当的膜材料与制膜方法可以制得分离系数很大的膜，一般可达几十、几百、几千，甚至更高。

因此只用单极即可达到很高的分离效果。

（2）渗透汽化虽以组分的蒸汽压差为推动力，但其分离作用不受组分汽一液平衡的限制，而主要受组分在膜内渗透速率控制。

各组分分子结构和极性等的不同，均可成为其分离依据。

因此，渗透汽化适合于用精馅方法难以分离的近沸物和恒沸物的分离。

（3）渗透汽化过程中不引入其他试剂，产品不会受到污染。

（4）过程简单，附加的处理过程少，操作比较方便。

（5）过程中透过物有相变，但因透过物量一般较少，汽化与随后的冷凝所需
能量不大。

（6）渗透通量小，一般小于1000g/（m2 - h）,而选择性高的膜，其通量只有100g/（m2・h）左右，甚至更低。

（7）膜后侧需抽真空，但通常釆用冷凝加抽真空法，需要由真空泵抽出的主要是漏入系统的惰性气体，抽气量不大。

三、渗透汽化适用的分离过程
（1）具有一定挥发性的物质的分离，这是应用渗透汽化法进行分离的先决条件。

（2）从混合液中分离出少量物质，例如，有机物中少量水的脱除，可以充
分利用渗透汽化分离系数大的优点，又可少受透过物汽化耗能与渗透通量小的不利影响。

（3）恒沸物的分离。

当恒沸液中一种组分的含量较小时，可以直接用渗透汽化法得到纯产品。

当恒沸物中两组分含量接近时，可以用渗透汽化与精馅联合的集成过程。

（4）精馅难以分离的近沸物的分离。

（5）与反应过程结合。

利用其分离系数高，单极分离效果好的特点，选择性地移走反应产物，促进化学反应的进行。

渗透汽化使用的是致密膜、有致密皮层的复合膜或非对称膜。

原料液进入膜组件，流过膜面，在膜后侧保持低压。

由于原液侧与膜后侧组分的化学位不同，原液侧组分的化学位高，膜后侧组分的化学位低，所以原液中各组分将通过膜向膜后侧渗透。

因为膜后侧处于低压，所以组分通过膜后即汽化成蒸气，蒸气用真空泵抽走或用惰性气体吹扫等方法除去，使渗透过程不断进行。

原液中各组分通过膜的速率不同，透过膜快的组分就可以从原液中分离出来。

从膜组件中流出的渗余物可以是纯度较高的透过速率较慢的组分的产物。

对于一定的混合液来说，渗透速率主要取决于膜的特质。

釆用适当的膜材料和制造方法可以制得对一种组分透过速率快，对另一组分渗透速率相对很少，甚至接近零的膜，因此渗透汽化过程可以高效地分离液体混合物。

为了增大过程的推动力、提高组分的渗透通量，一方面要提高料液温度，通常在流程中设预热器将料液加热到适当的温度；另一方面要降低膜后侧组分的蒸气分压。

膜的渗透通量和分离因子是表征渗透汽化膜分离性能的主要参数，除与膜和被分离体系的物化性质、膜的几何结构有关外，还与温度和膜下游操作压力有关。

渗透汽化过程的传递机理，由于涉及渗透物和膜的结构和性质，以及渗透物组分之间、渗透物与膜之间复杂的相互作用，所以研究工作难度较大。

目前已提出的机理模型，以溶解一扩散模型和孔流模型应用最多。

四、渗透汽化在水处理工程中的应用
渗透汽化在水处理工程中的应用，主要体现在以下几个方面。

1、有机溶剂脱水
目前，有机物水溶液的分离主要采用精馅、萃取和吸附等方法。

这些方法都有自身的特点与局限性，在某些情况下使用会出现种种问题，采用渗透汽化有可能克服这些问题，取得很好的效果。

适用于渗透汽化法进行有机物脱水的具体对象很多，分以下几个方面作简单介绍。

(1) 恒沸物的分离
恒沸物分离是渗透汽化最能发挥其优势的领域。

用渗透汽化进行恒沸物的分离可以分为两种情况。

一种是用渗透汽化法分离，直接制得产品，主要用于含水量较少的恒沸液，例如工业乙醇脱水制备无水乙醇；另一种情况是使用渗透汽化法将恒沸液分离为两个偏离恒沸组成的产物，然后再用一般精馅或其他方法进行分离，这种方法可称为恒沸液的分割。

(2) 非恒沸物的分离
渗透汽化可以把有机物与水的混合物分为互溶与部分互溶两类。

一般来说，对于部分互溶体系，水在有机物中的溶解度小、化学位高，与互溶体系比较，在水含量相同的条件下，渗透汽化的推动力大，水的渗透通量高，所以，有机物中水的溶解度愈小，则该有机物脱水后其中的含量可以更小。

通常用渗透汽化法脱水，根据有机物中水溶解度的大小，其水含量可降低至每升几十到几百毫克。

对于水在其中溶解度很小的有机物，水含量可降至每升几毫克，但需要很低的压力和较大的真空度和较大的膜面积。

使用渗透汽化脱水的经济性与原料中的水含量有关，一般来说料液中水含量在0.1%〜10%时，采用渗透汽化比较经济，水含量高，采用精馋或萃取可能比较经济。

而在含水量很低时，吸附可能更具有竞争力。

使用渗透汽化脱水的经济性还与水和有机物的沸点高低有关，如果有机物的沸点比水低，相对来说用渗透汽化比用精馅更有利，因为用精馅法分离有机物中少量水时，大量低沸点的有机物需从精馋塔顶蒸出，而渗透汽化过程中是把少量沸点较高的水直接从有机物中分离出来。

2、水中有机物的脱除
用渗透汽化法脱除水中有机物的技术开发晚一些。

到目前为止，对各种有机物的除去，包括醇、酸、酯、芳香族化合物、氯化碳氢化合物等已经进行了广泛研究，试验过各种材料，其中最常用的膜材料是硅橡胶。

用渗透汽化脱除水中有机物的经济性与水中有机物的含量和有机物本身的情况有关。

一般来说，与其他各种分离与处理方法比较，水中有机物含量在0.1%〜5%时，用渗透汽化法比较好。

浓度更高时，目前常用的蒸憶、蒸汽汽提等方法可能在经济上更有利。

有机物浓度过低，渗透汽化的推动力小，渗透通量小，膜面积大，膜组件的投资大。

此时，一般把它作为废液处理，釆用吸附或生物处理法可能在经济上更合理。

用系统汽化法从水中分离有机物主要可以分为以下四种情况：①从发酵液中提取有机物；②酒类饮料中除去乙醇；③废水处理和被污染的地下水处理；④溶剂回收。

3、有机混合物的分离
由于分离过程的条件比较苛刻，因此有机/有机混合物的分离是目前渗透汽化技术应用开发最少的领域。

如果膜和组件的稳定性得以解块，它将成为21世纪重要的膜应用技术。

用渗透汽化法进行有机混合物分离主要是近沸物与恒沸物的分离。

因为对于这些体系采用常用的精情法，需要庞大的设备、很大的能耗，或者需要外加恒沸剂或萃取剂，过程复杂，且易致使产品与环境被污染。

如果近沸物与恒沸物中两种组分的含量相差较大，则应用渗透汽化，采用优先透过少量组分的膜，一组分离即可达到较完全的分离效果，这时渗透汽化具有明显的竞争力，当恒沸物中两组分的含量接近时，釆用渗透汽化与精饷联合的过程是很经济的。

对于近沸物，当两组分含量相当时，要将两组分完全分开，必须采用有回流的多组操作，这时应用渗透汽化通常是不经济的。

因为渗透汽化通量小，多组操作所需膜面积大，透过物需在低压和较低温度下多次冷凝，冷凝系统投资可操作费用大，所以这种情况下只有在膜分离系统和渗透通量都很大时，渗透汽化才可能有竞争力。

迄今已研究的有重要工业意义的体系主要在以下几类：①醇与髄混合物的分离；②芳炷与脂肪炷的分离；③同分异构物的分离；④环己酮、环己醇与环己烷的分离；⑤脂肪炷之间的分离（指烯炷与烷炷、正烷炷与异烷炷以及卤代姪混合物等的分离）。