文献综述

膜技术是一种新型的分离技术,近几十年发展迅速,已经在水处理、化工、生物、医药，食品等领域获得广泛应用^[1-5]。渗透汽化技术具有高效、节能、无污染、操作简单等优点^[6,7]。它主要应用于:有机溶剂脱水,水中微量有机物的脱除及有机/有机混合体系的分离等3个方面。其中有机/有机混合体系的分离是渗透汽化技术研究的难点和重点,也是今后最具发展潜力的膜分离技术,受到膜学界及石油化工行业的广范关注^[8]。

渗透汽化（pervaporation，简称PV）是一种新型膜分离技术。该技术用于液体混合物的分离，利用液体中二种组分在膜中溶解度与扩散系数的差别，通过渗透与汽化将二种组分进行分离。其突出的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸收等传统方法难以完成的分离任务。它特别适用于蒸馏法难以分离或不能分离的近沸点、恒沸点混合物以及同分异构体的分离；对有机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除及废水中少量有机污染物的分离具有明显的技术上和经济上的优势，还可以同生物及化学反应耦合，将反应生成物不断脱除，使反应转化率明显提高。所以，渗透汽化技术在石油化工、医药、食品、环保等工业领域中具有广阔的应用前景及市场^[9]。

PV技术目前主要的应用领域有三方面：

(1)水/有机液体系的分离。包括有机溶剂(如乙醇、甲醇、异丙醇、丙酮、丁醇、二氧六环、四氢呋喃、甘油等)中少量水份的脱除，和水中少量有机液的去除。 前者一般采用分子中带有亲水性基团、又经轻度交联的高分子或聚电解质形成的水优先透过膜；后者则采用疏水性高分子形成的有机液优先透过膜。

(2)有机液/有机液混合物的分离。这是一个十分广阔而重要的领域。 美国能源部1993年曾组织国际著名膜专家，对包括反渗透、超滤、微滤等在内的所有重大膜过程及其相关技术进行评价，有机液/有机液混合物的PV分离被认为是最重要的课题。目前该领域的研究已取得了不少进展，其中一些已进入中试阶段，所涉及的有机液混合体系主要有：芳香烃/烷烃、芳香烃/醇、醇/醚 /烃类化合物、二甲苯异构体、环己酮/环己醇/环己烷等。这些体系均为石化工业中重要的共沸或近沸体系。目前已开发的有机混合液分离膜材质都具有抑制有机液溶胀的结构特征，如主链刚性、交联、微相分离等结构，从而使膜具有较好的选择分离性和性能稳定性。

(3)PV过程与反应过程的结合。如在酯化反应中，可以利用 PV过程将反应产物中的水不断脱除，达到提高反应速度和反应转化率的目的。在二甲基脲的合成中，利用 PV技术可及时除去水份，从而达到减少CO₂的损失和碳酸钠废水的产生^[10]。

在渗透汽化膜分离技术实施过程中，需要有特定的高致密性的膜。其原理是利用料液膜上下游某组分化学势差为驱动力实现传质，利用膜对料液中不同组分亲和性和传旨阻力的差异实现选择性^[11]。液体混合物料流是通过从膜的一侧溶解扩散到另一侧，再通过汽化等其它相应技术手段分离混合物中的组分。在实施过程中，处于高聚物膜一侧的液体混合物料流中的各个组分的蒸汽分压都是处于饱和状态的，而在膜的另一侧，将下游的蒸汽分压降下来，膜的两侧就会形成蒸汽分压梯度，通过相关技术手段冷凝蒸汽，从而使渗透过膜的渗透液以蒸汽离开膜面，接着形成液体从而被移除。渗透汽化过程既是传质的过程， 也是传热的过程^［12］。

渗透液蒸发过程中所需的热量通过膜传递，蒸发焓是由液体混合物料提供的。因此在料液溶解蒸发等过程中，混合物料的温度都会有所降低。关于渗透汽化膜分离过程的机理、物质传递等过程有多种理论，如溶解扩散模型、不可逆的热力学模型等，但现在能够普遍接受的是溶解扩散模型。