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膜分离—分子筛气体净化系统简介
浏览次数:478发布时间:2019-01-14 15:43:34 文章来源:

传统空气净化设备十分高大,但是的分离效率不高,目前大多采用分子筛吸附来对空气进行净化,分子筛系统的优点是产气纯度高,但由于分子筛系统是间歇操作,需要再生,操作复杂。所以急需一种新型的设备来替代现有设备。以此来进行产业升级。所以研发出了一种新型的膜分离技术—分子筛的空气净化设备。


将气体膜分离技术和分子筛吸附技术相耦合,利用膜分离系统除去大部分的H2O、CO2,然后在分子筛吸附系统中进一步深度净化,使产气达到要求。耦合净化系统可以结合膜分离和分子筛的优点,提高处理量,降低处理成本,并且延长分子筛的再生间隔时间,减小设备的尺寸。


1.分离活性层功能材料的设计与合成

在空气净化过程中需要脱除的主要组分是CO2,CO2可以和氨基等弱碱性基团发生可逆反应。因此,利用含氨基的高分子材料制备分离膜,通过膜内氨基与CO2的可逆反应,可以提高CO2的渗透速率和选择性。同时这种膜还可以同时脱除气体中的水分,避免了传统气体膜分离中,要预先对气体进行脱湿的要求,对膜过程进行了简化。

然而,含氨基共分子材料用于CO2分离时,会遇到以下3个问题:

(1)制备困难。含氨基的高分子材料不能通过自由基合成等常规合成手段直接得到,只能通过预聚体的进一步反应得到。

(2)氨基作为一种强极性基团,氨基之间存在较强相互作用,会导致高分子的结晶度,进而引起气体渗透速率下降。

(3)原料价格昂贵。目前主要原料N-乙烯基酰胺只有Basf等少数公司生产,价格为普通高分子原料的上百倍。

基于含氨基高分子材料的这些优缺点,本项目组设计开发了同时含有羟基和氨基两种功能基团的高分子膜材料(乙烯醇-乙烯基胺共聚物,VA-VAm)。

利用氨基与CO2的可逆反应来提高CO2渗透速率和选择性;利用羟基来降低链段的规整度,减弱氨基之间的相互作用,提高膜材料的分离性能。在前期研究的基础上,项目组通过醋酸乙烯酯与N-甲基甲酰胺的自由基共聚,然后经过醇解、酸解、离子交换等合成了目的产物乙烯基胺-乙烯醇共聚物(VAm-VA)。

首先通过自由基聚合制备醋酸乙烯酯-N-乙烯基甲酰胺的共聚物(VAc -co- NVF);然后将VAc -co-NVF溶解于甲醇中,在NaOH中进行醇解得到乙烯醇-N-乙烯基甲酰胺的共聚物(VA -co- NVF);然后将VA-co- NVF溶解于纯水中,在HCl中进行酸解,得到乙烯醇-乙烯基胺盐酸盐共聚物(VA-VAm?HCl);最后将VA-VAm?HCl溶于纯水,利用离子交换去除盐酸得到乙烯醇-乙烯基胺共聚物(VA-VAm)。

目前已经合成出氨基链段含量从0~100%的11种VAm-VA材料, 并制备平板复合膜。结果表明所制膜对CO2/N2体系有很好的透过分离性能。CO2/N2选择性是商业膜( 醋酸纤维素膜)的1-6倍,CO2渗透速率为商业膜的0.5-4倍。

1.1VAc-co-NVF的合成

VAc-co-NVF的合成是以醋酸乙烯酯和N-乙烯基甲酰胺为原料,以AIBA为引发剂同过自由基聚合得到。

合成步骤:

1)每次加入AIBA的量均为VAc和NVF总量的5‰ ;

2)原料混合后放入三口烧瓶,通入N2,除去溶液所溶及装置中的空气阻聚剂(如O2),然后加热;实验条件为水浴65oC±1oC,N2保护,磁力搅拌转速为20转/min,反应时间为3h左右。


CO2膜分离技术主要被国外的UBE、UOP、MTR等公司垄断,已建立了多套用于天然气、沼气脱CO2装置。膜分离与吸附、吸收等过程耦合进行气体深度净化已经有国内外多家研究单位开展了相应的研究。目前,我国尚没有商品化的CO2分离膜,膜分离与吸收、吸附等的耦合研究也处于实验室研究阶段。


开发膜分离—分子筛气体净化系统可以通过对比能耗分析,进而分析其规律,同是结合性能测试实验,对新型系统进行操作优化,改善操作流程,有极大的战略意义。