论文总字数：17834字

摘 要

随着工业化进程的飞速发展，伴随而来的VOCs污染问题已引起人们的关注。膜分离技术由于具有分离效率高、能耗低、工艺简便等优点，逐渐在VOCs治理中得到应用。

本论文以PDMS/陶瓷复合膜分离正己烷/氮气系统，考察了进料压力、进料气浓度、进料气流速、渗透侧压力和操作温度等操作条件与PDMS复合膜的渗透性和分离因子之间的关系。结果表明，当进料压力从0 kPa增加到400 kPa 时，分离因子由21降低到了7；在原料气浓度50000 ppm时，单根膜脱除率达到了70%，分离因子上升到了60；当原料气流速从0.5 m³∙h^-1增加到1.5 m³∙h^-1时，正己烷渗透性上升，分离因子由15增加到了70；随着渗透侧压力增大至2 kPa，膜两侧的推动力减小，正己烷渗透性降低，膜分离因子从20降低到5；随着操作温度从25 ℃提高到55 ℃，膜的渗透速率逐渐减小，分离因子由21降低至17。

实验结果表示：PDMS复合膜对于正己烷、氮气混合气具有较好的分离性能。降低操作温度、提高原料气浓度和流速都有助于改善膜的渗透性和分离因子。

关键词：VOCs PDMS复合膜 溶解—扩散 聚二甲基硅氧烷

Study on the membrane separation performance in the separation of the hexane / nitrogen mixture

Abstract

With the rapid development of industrialization, VOCs pollution problems have been attracted wider attention. The membrane separation technology with advantages of high efficiency, low energy consumption and so on, is regarded as one of the preferred ways of VOCs treatment.

In this paper, a PDMS/ceramic composite membrane was employed to separate n-hexane/nitrogen mixture, and the effects of the feed pressure, feed concentration, feed flow rate, permeate pressure, and temperature on the permeance and separation factor of the PDMS/ceramic composite membrane were investigated. Results showed that when the feed pressure increased from 0 kPa to 400 kPa, the separation factor decreased from 21 to 7; When the feed concentration was 50000 ppm, the removal rate reached 70% by one-stage membrane system, and the separation factor was 60; As the permeate pressure increased from 370 Pa to 2 kPa, driving force reduced accordingly, leading to a decreasing separation factor from 20 to 5; As the operating temperature increased from 25 ℃ to 55 ℃, membrane permeance gradually decreased, and separation factor reduced from 21 to 17.

The experimental results show that the PDMS composite membrane has good separation performance in the separation of the n-hexane/nitrogen mixture. And lower temperature, higher feed concentration favors the improvement of membrane permeance and separation factor.

Keywords: VOCs; PDMS composite membrane; Solution-diffusion; Polydimethylsiloxane

目录

摘 要 II

目录 IV

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2 VOC污染处理技术 1

1.2.1 冷凝法 1

1.2.2 吸附法 2

1.2.3 吸收法 2

1.2.4 膜分离法 2

1.2.5 膜的选用 3

1.3膜分离技术简介 3

1.3.1基本原理 3

1.3.2 膜分离技术的渗透机理 4

1.3.3 VOCs在膜中渗透性能评定 5

（1）溶解度系数 6

（2）扩散系数 6

（3）渗透系数 6

（4）分离系数 7

1.4 蒸汽渗透（VP）膜分离技术 7

1.5 蒸汽渗透膜性能评价指标 8

1.51 渗透通量 8

1.5.2 分离因子 8

1.6 聚二甲基硅氧烷 (PDMS）相关研究 9

1.7 研究意义及研究内容 10

1.7.1研究意义 10

1.7.2 研究内容 10

第二章 实验内容 11

2.1 实验材料和仪器 11

2.2 实验装置及分析方法 12

第三章 结果与讨论 14

3.1 SEM表征 14

3.2 原料气流量对膜性能的影响 14

3.3原料气浓度对膜性能的影响 15

3.4渗透侧压力对于膜性能的影响 17

3.5操作温度对于膜性能的影响 18

3.6进料压力对膜性能的影响 19

3.7膜的长期稳定性测试 20

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2展望 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 文献综述

1.1引言

挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，简称VOCs）是指在室温下（25 ℃）、饱和蒸气压超过133.32Pa、以气体分子形式逸散到空气中的有机化合物。VOCs主要分为烷烃类、芳香烃类、烯烃类、卤烃类、酯类、醛类、酮类和其他化合物等八类有机化合物。VOCs不仅对环境具有危害性、产生复合型污染；还会对人体呼吸系统、内分泌系统、免疫系统、神经系统等产生毒害作用；甚至还有致癌、致畸、致突变作用。因此国家规定其必须加以回收处理，以减少危害。

1.2 VOC污染处理技术

当前主要的回收法处理VOCs污染技术有四种：冷凝法、吸附法、吸收法、膜分离法^[1]。

1.2.1 冷凝法

冷凝法是根据温度越高或压力越低，气体的饱和蒸气压越高这一原理。降低温度或者提高压力使得气体液化成液体。

冷凝法在处理VOCs浓度在10000ppm以上的较高浓度有机蒸汽时表现的非常好，它的分离性能和其进料浓度与操作温度息息相关^[2]。温度一定的情况下，VOCs进料浓度越高，冷凝法的分离性能越好。按理论计算，冷凝法的分离率可以达到很高的程度，但是当VOCs的浓度达到几个ppm时，为了达到理想的分离率，必须耦合更多冷却系统来降低操作温度，这导致冷凝法的运行成本大为增加。冷凝法的优点在与它对高浓度的有机蒸汽的分离性能非常好，但是处理低浓度的有机蒸汽成本非常高昂。因此，目前人们常在高浓度时，使用冷凝法处理混合气，当混合气中待分离组分浓度降低时，再采用其他方法继续处理混合气，以降低分离成本^[3]。

1.2.2 吸附法

吸附法是利用多孔性固体吸附剂（例如粒状活性炭、沸石、分子筛等）吸附混合气中的VOCs，来达到分离、富集废气中VOCs的目的^[4]。

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