用于极性/非极性分子分离的不对称静电场耦合膜法气体分离的过程设计与机理研究

It is of great significance for membrane-based gas separation process to enhance gas permselectivity. This project meets the problem from a process point of view. Based on solution-diffusion mechanism, a design of an asymmetric electrostatic field coupled membrane process for separation of gas molecules with different polarity is proposed in this study. Providing an asymmetric electrostatic field across a membrane with an increasing field intensity in the direction of permeation, polar molecules will receive a coupling effect of concentration gradient and electric potential gradient, and thus will have a higher permselectivity than that in a conventional process only with a single driving force of concentration gradient. This work will design and estabilish a separation setup with an aysmmetric electrostatic field for a membrane-based gas dehydration system. The setup and the process will be optimized by investigating the parameters that affect the permeation flux. By approaching the contribution of concentration gradient and electric potential gradient to the total flux, mass transfer mechanism and process model of this multi field-multi flow membrane separation system will be explored. This work will provide a novel insights in optimizing gas separation and other membrane processes, and will lay a theoretical foundation for further research and development in aysmmetric electrostatic field coupled membrane separation processes.

提高气体的渗透选择性是膜法气体分离领域的核心研究内容之一，本项目拟从膜过程入手探讨这一问题。本研究基于溶解-扩散机理，针对极性不同的气体分子分离的体系，提出不对称静电场耦合膜法气体分离过程的构想，突破仅靠单一的浓度梯度为传质推动力的模式，通过在膜两侧附加不对称静电场，场强沿渗透方向增大，使极性分子受到浓度梯度和电位梯度的耦合作用，从而提高其渗透选择性。拟以膜法气体脱湿为研究体系，设计并研制带有不对称静电场的膜法气体分离装置，研究影响渗透通量的各种因素，优化装置结构和过程工艺。通过探讨浓度梯度和电位梯度对极性分子渗透通量的贡献，揭示这种多场多流的膜分离体系的传质机理并建立过程模型。本项目将为优化气体分离等膜过程提供一个新思路，为不对称静电场耦合膜分离过程的深入研究和开发应用奠定理论基础。

膜分离过程需要传质推动力，传统膜过程是在单一推动力下进行的。本项目提出耦合场膜分离过程的概念，在涉及极性分子分离的体系中引入不对称静电场，场强沿渗透方向增大，使跨膜传质发生在传统膜过程原有的推动力场和不对称静电场形成的耦合场中，使极性分子受到原有推动力和电位梯度两个推动力的耦合作用，利用极性分子在不对称静电场中的取向和定向迁移，向渗透侧加速运动，从而提高极性分子的渗透速率；对于非极性分子，静电场的有无对其传质基本无影响，因此引入不对称静电场可在提高渗透通量的同时，提高过程的分离效果。 . 本项目以膜法气体分离和膜蒸馏过程为对象来验证耦合场对膜传质过程的作用，研究结果表明在膜分离过程中附加不对称静电场确实可以提高极性分子的传质速率和极性不同的分子间的分离效果。本项目设计并研制了带有不对称静电场的膜分离装置。系统考察了电场参数及操作参数对耦合场传质过程的影响。结果表明附加不对称静电场的膜分离过程比传统过程的水通量有较大幅度的提高，当针-板电极电场的电压为4 kV、电极距离为23.5 mm时，膜蒸馏的水通量可提高50%，NaCl截留率可以从99.2% 提高至99.6%（见AIChE J. 60: 2307）；氮气脱湿过程的水通量可提高40%，而氮气通量保持不变，实现了水通量和分离效果的同时提高（见J. Membr. Sci. 493: 444）。通过探讨压力梯度和电位梯度对极性分子渗透通量的贡献，揭示这种多场多流的膜分离体系的传质机理并建立了耦合场传质的数学模型。. 本项目通过多场耦合提高膜过程的渗透性和选择性，为极性不同的分子间的分离提供了一种新型的膜分离过程。目前这项研究在国内外还未见其他报导。研究成果为强化膜分离过程提供一个新思路，为不对称静电场耦合膜分离过程的深入研究和开发应用奠定理论基础。