郝興閣,王元喜,李海慶,秦英杰,*,劉立強(qiáng),崔東勝
(1.天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300072;2.天津凱鉑能膜工程技術(shù)有限公司,天津 300308)
以微孔疏水性中空纖維膜制作的膜組件通常稱之為膜接觸器。膜接觸器目前已廣泛應(yīng)用于膜解吸、膜吸收、透膜解吸-吸收(或稱之為氣態(tài)膜或支撐氣膜過(guò)程)、膜萃取、支撐液膜等過(guò)程。膜接觸器設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、處理能力大、能耗小,并且可以得到高濃高純產(chǎn)物。膜解吸、膜吸收和氣態(tài)膜過(guò)程(特征為膜壁微孔中的空間為氣相占據(jù))已經(jīng)用于多種料液或料氣的分離[1-8],包括 NH3、CO2、SO2、H2S、Br2、I2、HCN、胺、苯酚及某些揮發(fā)性有機(jī)物等的脫除、回收、富集和純化。
在某些情況下膜接觸器需要處理含氧化性物質(zhì)的體系。例如硝酸銨生產(chǎn)廠排放的含氨廢水用氣態(tài)膜過(guò)程處理時(shí)最好用硝酸作吸收劑從而得到硝酸銨作為副產(chǎn)品;而氣態(tài)膜過(guò)程用于濃海水提溴時(shí),料液中含有次氯酸(或氯氣)、單質(zhì)溴(溴素)和溴酸;膜吸收過(guò)程還可用于把臭氧高效溶入待處理廢水中。硝酸、溴素、溴酸、次氯酸、氯氣和臭氧都有氧化性。
近年來(lái),武春瑞等[9]利用 PVDF中空纖維微孔疏水膜進(jìn)行了鼓氣膜吸收海水提溴實(shí)驗(yàn)研究;唐娜等[2]采用PVDF中空纖維微孔疏水膜研究了操作條件對(duì)溴水的膜吸收分離性能的影響并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。
常用的中空纖維膜材料如 PP、PVDF和 PE等抗氧化性較差,而PTFE具有優(yōu)異的疏水性能和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),化學(xué)穩(wěn)定性極好,在很廣的溫度范圍內(nèi)不受酸、堿和氧化劑腐蝕。王國(guó)強(qiáng)等[10]用BSF型聚四氟乙烯平板膜研究氣態(tài)膜法提溴工藝并對(duì)膜使用壽命進(jìn)行考察;于伯杉等[4,11]用系列 PTFE平板膜研究了氣態(tài)膜分離過(guò)程中氯、溴、碘、氨等的傳質(zhì)特性。
本研究以稀硝酸作吸收劑模擬氧化性環(huán)境,以氨水為料液,研究用耐氧化性的PTFE中空纖維膜接觸器回收廢水中的氨氮制取高濃度硝酸銨的可行性;并提供操作穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);考察料液進(jìn)口濃度、流速和溫度對(duì)傳質(zhì)過(guò)程的影響;在相同的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì) PP、PVDF和PTFE中空纖維膜接觸器的傳質(zhì)性能進(jìn)行系統(tǒng)的比較。
實(shí)驗(yàn)所采用的膜及膜組件參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 中空纖維膜及膜組件參數(shù)Tab le 1 Characteristics of membrane and modu les
試劑:分析純級(jí)的氨水、硝酸、鹽酸、無(wú)水碳酸鈉和納氏試劑均購(gòu)自天津江天化工試劑有限公司。
膜組件測(cè)漏:所有膜組件在使用前都要進(jìn)行壓力法測(cè)漏。本實(shí)驗(yàn)中所使用的PP和PTFE膜組件在152 kPa下保持2 h無(wú)滲漏,PVDF膜組件在51 kPa下保持2 h無(wú)滲漏。
恒流泵,HD68,上海青滬西儀器廠;電子天平,AL204-IC,Mettler Toledo;紫外分 光光 度計(jì),TU-1900,北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;pH計(jì),PB-106,Sartorious;超級(jí)恒溫槽,JD-3015,寧波新芝生物科技有限公司。
實(shí)驗(yàn)裝置及流程如圖1所示。一定濃度的含氨料液(濃度精確值由納氏比色法確定)被泵出料液儲(chǔ)槽,經(jīng)流量計(jì)3調(diào)節(jié)流量后流過(guò)換熱器4換熱至預(yù)定溫度,流經(jīng)膜組件的管程后被收集到儲(chǔ)槽14內(nèi);吸收液由恒流泵12泵出儲(chǔ)槽,經(jīng)流量計(jì)11調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入換熱器10換熱至預(yù)定溫度,再流過(guò)膜組件的殼程。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中料液和吸收液呈并流流動(dòng),料液采取一次性通過(guò)操作方式,吸收液采取循環(huán)操作方式,當(dāng)儲(chǔ)槽中吸收液pH值升高到2.0時(shí),向吸收液儲(chǔ)槽中補(bǔ)加65%濃硝酸,以此操作方式保證殼程吸收液中游離氨濃度近似為0,以提供最大傳質(zhì)推動(dòng)力和最小的殼程傳質(zhì)阻力。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.1 Schematic diagramof experimen tal apparatus
實(shí)驗(yàn)中待系統(tǒng)穩(wěn)定一段時(shí)間后,分別在膜組件管程的進(jìn)出口處取樣,采用納氏比色法測(cè)定樣品中氨氮濃度,并使用秒表和量筒測(cè)定相應(yīng)的氨水流量。為了避免實(shí)驗(yàn)誤差,每隔一段時(shí)間間隔測(cè)定一次流速,分別測(cè)定3組平行樣,這3次測(cè)定的流量之間相差不超過(guò)2%時(shí),其平均值即可作為本次實(shí)驗(yàn)的氨水料液流量。
如圖2所示,氣態(tài)膜法脫氨傳質(zhì)過(guò)程包括:1)NH3在濃度差的推動(dòng)下由管程中料液主體經(jīng)濃度邊界層向微孔膜壁傳遞;2)NH3在氣-液界面處揮發(fā);3)氣態(tài) NH3在料液側(cè)膜壁微孔內(nèi)擴(kuò)散;4)NH3進(jìn)入吸收液側(cè)被酸不可逆吸收。
氣態(tài)膜過(guò)程中流入和流出膜組件的料液中氨濃度與進(jìn)料量、膜組件有效面積和總傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系可描述為[1,12]:
式(1)中,K為總傳質(zhì)系數(shù),m·s-1;Q為料液流量,m3·s-1;c0為料液進(jìn)口濃度,g·L-1;cl為料液出口濃度,g·L-1;A為有效膜面積,m2。
圖2 氣態(tài)膜傳質(zhì)機(jī)理圖Fig.2 Princip le of mass-transfer in the supported gas membrane-based separation process
在實(shí)驗(yàn)流程章節(jié)所示操作模式下,當(dāng)殼程吸收液中酸的濃度很高時(shí),可以認(rèn)為殼程吸收液中游離氨的濃度為0,因而游離氨在殼程的傳質(zhì)阻力也為0。在忽略殼程傳質(zhì)阻力的前提下,K可分為管程液相傳質(zhì)系數(shù)kL和微孔膜傳質(zhì)系數(shù)kM兩部分:
對(duì)于特定的膜組件和具體的實(shí)驗(yàn)條件,可以測(cè)定出K值,但若要計(jì)算出kL和kM的值則需要借助于更詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型求解[12-13]。
kM是膜本身性質(zhì)和操作條件的函數(shù),在假定膜孔分布均勻,且不隨膜軸向變化時(shí),根據(jù)氣體擴(kuò)散理論,Wang和Qin[13]推導(dǎo)了kM的理論表達(dá)式:
式(3)中,DG為氨氣相擴(kuò)散系數(shù),m2·s-1; ε為孔隙率;τ為曲率因子;r1為中空纖維膜內(nèi)半徑,m;r2為中空纖維膜外半徑,m;R為氣體常數(shù),8.314×10-3J·K·mol;T為熱力學(xué)溫度,K;H為氨的溶解度系數(shù) , mol·m-3·Pa。
此關(guān)聯(lián)式中的ε、τ均未知,無(wú)法計(jì)算出準(zhǔn)確的kM值,但是可以通過(guò)下面的傳質(zhì)方程求解直接得到kM值。
kL不但是管程內(nèi)料液性質(zhì)的函數(shù)也是kM的函數(shù)。Wang和Qin等[13-14]構(gòu)建了氨在中空纖維微孔疏水膜管程內(nèi)的偏微分方程傳質(zhì)模型。當(dāng)含氨料液在管程內(nèi)作一維穩(wěn)態(tài)層流流動(dòng),殼程的游離氨濃度為0且可以忽略殼程傳質(zhì)阻力時(shí),膜管程內(nèi)氨傳質(zhì)過(guò)程的偏微分方程及其邊界條件為:
邊界條件:
式(5) ~(8)中,c為管程中氨濃度, mol·m-3; DW為氨液相擴(kuò)散系數(shù),m2·s-1;u為料液管程流速,m·s-1;r為中空纖維膜內(nèi)徑,m;z為與膜進(jìn)口質(zhì)量傳遞開(kāi)始點(diǎn)處的軸向距離,m。
根據(jù)Wilke-Chang方程,料液中氨的擴(kuò)散系數(shù)可表示為:
式(9)中,Φ為水締合因子;μ為黏度, Pa·s; VbA為氨正常沸點(diǎn)下的分子體積,m3。
使用最小二乘法,對(duì)比膜組件中料液出口濃度的理論值和實(shí)驗(yàn)值可獲得一定實(shí)驗(yàn)條件下的kM,kL和K值。本研究利用MATLAB軟件進(jìn)行微分方程數(shù)值求解并計(jì)算一定實(shí)驗(yàn)條件下的kM和kL值。
實(shí)驗(yàn)條件為:膜兩側(cè)溫度均為15℃,硝酸吸收液的質(zhì)量濃度為10%,流速為79.7 L·h-1,料液的流速為0.025 m·s-1,料液的濃度變化范圍為0.5~5.0 g·L-1。
由圖3~圖5可看出,K,kM和kL均幾乎不受料液初始濃度的影響。K是kM和kL綜合作用的結(jié)果。
圖3 3種膜組件的總傳質(zhì)系數(shù)K的比較Fig.3 Comparison of the overallmass transfer coefficien t among three kinds of modu les
圖4 3種膜組件的膜側(cè)傳質(zhì)系數(shù)k M的比較Fig.4 Comparison of the membrane mass transfer coefficient among th ree k inds ofmodules
圖5 3種膜組件的管程液相傳質(zhì)系數(shù)k L的比較Fig.5 Comparison of the lumen-sidemass transfer coefficient among th ree k inds of modu les
當(dāng)料液中揮發(fā)性溶質(zhì)的氣液平衡符合亨利定律時(shí),從kM的計(jì)算式(3)可以看出對(duì)于某一特定膜組件的kM表達(dá)式中僅變量D和H隨著溫度的變化而變化,因此 kM僅是溫度的函數(shù),而與初始濃度無(wú)關(guān)。如圖4所示PVDF膜具有最大的膜微孔直徑和孔隙率,因而提供了最大的膜側(cè)分傳質(zhì)系數(shù);而PTFE膜雖有高孔隙率、大微孔徑的優(yōu)點(diǎn),但厚膜壁(壁厚為0.7 mm)使得PTFE膜的膜傳質(zhì)系數(shù)與低孔隙率、小微孔直徑但薄壁的PP膜的膜傳質(zhì)系數(shù)相接近。
kL主要由膜管程直徑和氨在液體中的擴(kuò)散系數(shù)決定,因而間接受料液溫度及黏度的影響,而在一定的濃度范圍內(nèi)與料液初始濃度無(wú)關(guān)。當(dāng)溫度為15℃,流速為0.025 m·s-1時(shí)通過(guò)計(jì)算得到3種膜組件在不同濃度下的kL值分別為:PP:14.2×10-6m·s-1;PVDF:8.4 ×10-6m·s-1;PTFE:7.0 ×10-6m·s-1。PTFE膜絲有最大的膜內(nèi)徑,因而提供了最小的管程傳質(zhì)系數(shù)。
從圖6可以看出隨著NH3初始濃度的提高脫除率也沒(méi)有明顯變化,因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)條件下吸收液側(cè)酸濃度始終過(guò)量,透過(guò)膜的NH3與硝酸迅速發(fā)生不可逆反應(yīng),生成硝酸銨,由式(1)可以看出,ln(c0/cl)與K成線性關(guān)系,對(duì)于某一特定的膜組件當(dāng)K值保持不變時(shí),脫除率也保持不變。
在該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中膜兩側(cè)溫度均保持在15℃,硝酸吸收液的質(zhì)量濃度為10%,流速為79.7 L·h-1,料液濃度為3.0 g·L-1。料液流速變化范圍為0.01~0.08 m·s-1。 結(jié)果見(jiàn)圖7~圖 10。
圖7 不同料液流速3種膜組件的總傳質(zhì)系數(shù)K的比較Fig.7 Comparison of the overallmass transfer coefficien t among three kinds of modules at d ifferent flowrate
從圖7和圖8可以看出,在一定溫度和濃度條件下,K值和kM值幾乎不受料液流速的影響。由前面分析可知,對(duì)于特定的膜組件,kM僅是溫度的函數(shù),如果溫度不變,其值幾乎不變,圖8結(jié)果符合此規(guī)律。
圖8 不同料液流速3種膜組件的膜側(cè)傳質(zhì)系數(shù)k M的比較Fig.8 Comparison of the membrane mass transfer coefficient among th ree k inds of modu les at differen t flowrate
圖10 不同料液流速3種膜組件的脫除率R的比較Fig.10 Comparison of ammonia removal rate among three kinds ofmodules at different flowrate
從圖9中可以看出隨著料液流速的增加,kL值稍有上升,其原因是本實(shí)驗(yàn)中所用膜組件有效長(zhǎng)度較長(zhǎng),膜絲內(nèi)徑較小,管程內(nèi)傳質(zhì)邊界層達(dá)到充分發(fā)展,NH3濃度分布側(cè)形達(dá)到穩(wěn)定,因而 kL都穩(wěn)定在一恒定值;增加料液流速會(huì)增加進(jìn)口段長(zhǎng)度,發(fā)展段的kL與充分發(fā)展后的kL相比要大很多,這使得整體平均的kL值隨著料液流速的增加而有所增加,但是相對(duì)于整個(gè)膜組件的有效長(zhǎng)度,進(jìn)口段長(zhǎng)度較小,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響也較小。K隨流速的變化由kM和kL共同決定,對(duì)比圖7~圖9所示結(jié)果可知 K與kM的變化趨勢(shì)相接近。但由圖10可以看出,流速增加使料液在膜內(nèi)的停留時(shí)間變短,脫除率下降。
在該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中硝酸吸收液的質(zhì)量濃度為10%,流速為 79.7 L·h-1;料液的濃度為 3.0 g·L-1,流速為0.025 m·s-1;膜兩側(cè)溫度相同,其變化范圍為15~40℃。
從圖11~圖14可以看出,隨著溫度的升高,K、kL、kM及脫除率 R均顯著升高,且溫度越高漲幅越大。kL主要由料液的物理性質(zhì)決定,對(duì)于中等揮發(fā)性物質(zhì)如NH3等,溫度主要通過(guò)影響其擴(kuò)散系數(shù)來(lái)影響傳質(zhì)系數(shù)。溫度升高,料液黏度降低,液相擴(kuò)散系數(shù)增大,因而管程液相傳質(zhì)系數(shù)增大。
圖11 不同溫度3種膜組件的總傳質(zhì)系數(shù)K的比較Fig.11 Comparison of the overallmass transfer coefficient among three kinds of modu les at different temperature
圖12 不同溫度3種膜組件的膜側(cè)傳質(zhì)系數(shù)k M的比較Fig.12 Comparison of themembranemass transfer coefficient among three kinds of modu les at different temperature
kM僅含兩個(gè)與溫度有關(guān)的變量D和H,所以在其他條件全部固定的條件下,kM只是溫度的函數(shù)。NH3的氣相擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而增大,同時(shí)溶解度系數(shù)(亨利常數(shù))隨著溫度的升高而降低,兩者綜合作用的結(jié)果為kM的升高。
由式(2)可以看出總傳質(zhì)系數(shù) K是 kL和 kM綜合作用的結(jié)果,兩者隨溫度升高而增加導(dǎo)致總傳質(zhì)系數(shù)隨溫度急劇上升。
圖13 不同溫度3種膜組件的管程液相傳質(zhì)系數(shù)k L的比較Fig.13 Comparison of the lumen-side mass transfer coefficient among th ree kinds of modu les at differen t temperature
圖14 不同溫度3種膜組件的脫除率R的比較Fig.14 Comparison of ammonia removal rate among th ree kinds of modu les at differen t temperature
用于上述實(shí)驗(yàn)研究后的3種膜組件繼續(xù)用于長(zhǎng)期操作穩(wěn)定性研究。實(shí)驗(yàn)條件如下。料液:氨初始濃度為 5.0 g·L-1,T=25 ℃, u=0.025 m·s-1, 循環(huán)操作,當(dāng)組件進(jìn)口料液濃度小于2.0 g·L-1時(shí),添加25%濃氨水,使氨濃度保持在2.0~5.0 g·L-1之間。稀硝酸吸收液:初始濃度 5% ~10%,Q硝酸=79.7 L·h-1,循環(huán)操作,當(dāng)組件進(jìn)出口吸收液pH>2時(shí),添加濃硝酸。實(shí)驗(yàn)時(shí)間:每個(gè)組件每1 d運(yùn)行6~8 h。測(cè)漏實(shí)驗(yàn):每2 d對(duì)實(shí)驗(yàn)中的膜組件進(jìn)行壓力法離線測(cè)漏檢驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)圖15。
從圖15可以看出PVDF膜組件在使用7 d后K值急劇下降;PP膜組件在使用20 d后 K值也出現(xiàn)明顯下降;而PTFE膜組件在穩(wěn)定運(yùn)行30 d后K值沒(méi)有明顯變化,使用壓力法測(cè)漏發(fā)現(xiàn)在150 kPa下,膜組件保持完好,沒(méi)有發(fā)生滲漏現(xiàn)象。這是由于PVDF膜雖然疏水性較強(qiáng),但是它耐氧化性和腐蝕性很差,雖然它的傳質(zhì)系數(shù)較大但是組件運(yùn)行一周就會(huì)發(fā)生泄漏,因此PVDF膜不適用于本氧化性體系;PP膜耐硝酸氧化性較差,因此膜組件穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間較短;而PTFE微孔膜具有優(yōu)異的持久疏水性能和持久耐強(qiáng)氧化性能。
圖15 3種膜組件總傳質(zhì)系數(shù)K的穩(wěn)定性的比較Fig.15 E ffect of operation time on the overallmass transfer coefficient
本研究使用PP、PVDF、PTFE 3種膜絲制作的膜組件進(jìn)行了稀硝酸作為吸收劑的氣態(tài)膜法自廢水中脫氨的研究。由實(shí)驗(yàn)觀察和理論分析可以得出以下結(jié)論。
1)PTFE膜疏水性很強(qiáng),不易被潤(rùn)濕,且具有較強(qiáng)的耐硝酸氧化性,因而可提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的傳質(zhì)性能。
2)PP膜和PVDF膜耐硝酸氧化性較差,不適合用于硝酸作吸收劑時(shí)的氣態(tài)膜法脫氨。但PP膜造價(jià)便宜,故建議對(duì)PP微孔膜表面進(jìn)行改性,以增強(qiáng)它對(duì)硝酸氧化的耐受性。
3)PTFE膜疏水性強(qiáng),微觀孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),可以制得大孔徑,高孔隙率的中空纖維微孔膜。但本研究使用的PTFE膜的最主要的問(wèn)題在于大內(nèi)徑值、高壁厚值,這使得PTFE膜沒(méi)有顯示出對(duì)PP膜的優(yōu)勢(shì)。因此制作出大孔徑、高孔隙率、小內(nèi)徑、薄壁厚的PTFE中空纖維微孔疏水膜是未來(lái)的研究方向。
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