中空纤维膜吸收CO2过程的膜浸润研究

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CO2等温室气体导致全球气候变暖,已经引起了全世界各国的关注。在多种捕集CO2的技术中,膜技术以其操作灵活、更经济、能耗低、模块化结构易放大等优点被认为是代替传统吸收方式的有效方法。然而,随着操作的进行,疏水膜孔会被醇胺类溶液浸润,导致膜相阻力随着时间会持续增大,逐渐成为传质过程中的控制阻力,对其吸收CO2的效率有极大影响。因此,研究如何延缓、抑制膜浸润现象,对提高该技术的运行效率具有重要的实际意义。   本文首先采用PVDF中空纤维膜组件吸收CO2,研究二乙醇胺(DEA)水溶液对疏水微孔膜的浸润和传质的影响。CO2气体在膜组件壳程流动,吸收液在膜丝内(管程)流动,气相和液相在膜组件中均呈层流流动,逆流接触进行传质。实验分别考察不同的吸收液浓度、温度、流速以及气体流速对膜润湿的影响,结果表明:膜孔道逐渐被吸收液浸润,膜相传质阻力占总传质阻力的百分比最高升至68%,膜浸润使膜相阻力迅速增大,并逐渐成为主要传质阻力,导致总传质系数逐渐降低。随着吸收过程的进行,膜孔的平均相对浸润深度η逐渐增加,导致膜相传质系数km随时间逐渐下降,虽然η增加缓慢且幅度很小,但由此引起的km下降却非常明显。DEA浓度由1mol/L增至2mol/L,膜孔的相对浸润深度η值平均降低7.7%,这是由于DEA浓度增加而引起吸收液黏度变大,从而使膜孔被浸润变得困难;吸收剂温度由15℃升高至25℃,η值平均升高11.4%,液相流速由u=0.113m/s提高到u=0.183m/s,η值平均升高5.8%,升高温度或提高液相流速都会使膜浸润程度增加,但温度对膜浸润的影响更加明显;在气相阻力可以忽略的条件下,改变气相流速对膜浸润的影响不大。   其次,初步考察了吸收剂再生后循环使用对PVDF中空纤维膜膜浸润程度的影响,得到结论如下,采用再生液实验所得的膜孔相对浸润深度η是原吸收液的1.38倍,这说明可能是再生过程中吸收液里生成了热稳定盐等杂质,使膜浸润程度加剧,并导致了CO2传质通量和总传质系数的下降。   此外,通过Washburn法静态膜浸润实验测量膜重量的变化,掌握浸润量随时间的变化规律,结合膜的结构特征,建立了半经验半理论的膜浸润模型,并以此预测了总传质系数变化的基本趋势。
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