渗透蒸发用于汽油及其添加剂品质的改善

论文摘要

渗透蒸发作为新型的分离技术,在有机混合物的分离方面显示出技术优势和良好的应用前景。渗透蒸发膜的性能决定了渗透蒸发过程的通量和分离因子,因而选择分离性能良好的膜材料是渗透蒸发研究的核心内容之一。甲基叔丁基醚（MTBE）作为最重要的汽油添加剂之一,在生产过程中会与甲醇形成共沸物,难以用普通精馏加以分离提纯。汽油中含硫有机物的存在使汽油燃烧产物中包含大量环境有害物质,需要将这些含硫化合物除去。本文分别以甲醇/MTBE混合物和模拟汽油—正辛烷/噻吩混合物作为分离物系,从溶解度参数理论入手确定了相应的膜材料。制备了醋酸纤维素（CA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）共混膜渗透蒸发分离甲醇/MTBE混合物,获得了良好的分离效果。制备了二氧化硅填充聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜为活性层,聚砜（PS）超滤膜为支撑层的复合膜脱除模拟汽油中的噻吩,填充复合膜的分离性能比未填充的PDMS/PS复合膜有了明显改善。采用红外光谱（FT-IR）、X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、热重分析（TG）、差示扫描量热（DSC）和机械性能测试等多种方法对膜的物理化学性质进行了表征。采用正电子湮没寿命谱仪（PALS）测试了均质和填充PDMS膜干态条件下的自由体积分数和自由体积孔穴半径。利用CA-PVP共混膜分离甲醇/MTBE混合物,考察了膜的吸附溶胀行为,膜组成、操作温度、原料液浓度和流速对渗透蒸发分离性能的影响。结果表明,对甲醇浓度为20 wt%的原料液,在313 K,流速50 L/h的条件下,PVP含量为15 wt%的共混膜渗透通量达到430 g/（m2h）,分离因子达到411,综合性能最好。利用二氧化硅填充PDMS/PS复合膜脱除正辛烷/噻吩混合物中的少量噻吩,考察了二氧化硅填充量、操作温度、原料液浓度和流速对膜的吸附溶胀行为和渗透蒸发性能的影响。结果表明,二氧化硅填充量为1.0 wt%的PDMS/PS复合膜对噻吩含量为1300μg/g （ppm）的原料液,在303 K,流速40 L/h的条件下,通量为2.08 kg/（m2h）,富硫因子为4.69,综合分离性能最佳。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 渗透蒸发过程概述
• 1.1.1 渗透蒸发过程原理
• 1.1.2 渗透蒸发过程传质机理
• 1.2 渗透蒸发膜材料的选择
• 1.2.1 溶解度参数理论
• 1.2.2 极性相似和溶剂化原则
• 1.2.3 Flory-Huggins相互作用参数ψ
• 1.2.4 亲疏水平衡理论
• 1.3 渗透蒸发用于汽油及其添加剂品质的改善
• 1.3.1 渗透蒸发分离甲醇/MTBE混合物
• 1.3.2 渗透蒸发用于FCC汽油脱硫
• 1.4 渗透蒸发分离甲醇/MTBE混合物的研究概述
• 1.4.1 MTBE的性质和纯化技术
• 1.4.2 渗透蒸发用于MTBE纯化的膜材料研究进展
• 1.5 渗透蒸发用于FCC汽油脱硫的研究概述
• 1.5.1 FCC汽油脱硫的技术背景
• 1.5.2 FCC汽油渗透蒸发脱硫用膜材料研究进展
• 1.6 论文研究思路和主要研究内容
• 第二章 渗透蒸发和吸附溶胀实验
• 2.1 渗透蒸发实验
• 2.1.1 试剂与仪器
• 2.1.2 实验装置
• 2.1.3 实验流程
• 2.1.4 性能评价指标
• 2.1.5 气相色谱操作条件设置
• 2.1.6 扩散系数的计算
• 2.2 吸附溶胀实验
• 2.2.1 溶胀实验流程
• 2.2.2 脱附实验
• 第三章 CA-PVP共混膜渗透蒸发分离甲醇和MTBE混合物
• 3.1 膜材料的选择和膜的制备
• 3.1.1 共混改性的意义
• 3.1.2 选材和制膜
• 3.2 膜的表征
• 3.2.1 FT-IR分析
• 3.2.2 TG分析
• 3.2.3 DSC分析
• 3.2.4 XRD分析
• 3.2.5 机械性能分析
• 3.3 吸附溶胀性能
• 3.3.1 膜材料组成对膜溶胀度的影响
• 3.3.2 膜材料组成对膜的溶解选择性和扩散选择性的影响
• 3.4 渗透蒸发性能
• 3.4.1 膜材料组成对渗透蒸发性能的影响
• 3.4.2 操作温度对渗透蒸发性能的影响
• 3.4.3 原料液流速对渗透蒸发性能的影响
• 3.4.4 原料液组成对渗透蒸发性能的影响
• 3.5 扩散系数的估算
• 3.6 小结
• 第四章 二氧化硅填充PDMS/PS复合膜渗透蒸发脱硫
• 4.1 膜材料的选择和膜的制备
• 4.1.1 填充改性的意义
• 4.1.2 膜材料的选择
• 4.1.3 膜的制备
• 4.2 膜的表征
• 4.2.1 FT-IR分析
• 4.2.2 XRD分析
• 4.2.3 SEM分析
• 4.2.4 正电子淹没寿命谱分析
• 4.3 吸附溶胀性能
• 4.3.1 二氧化硅填充量对膜的溶胀度的影响
• 4.3.2 二氧化硅填充量对膜的溶解选择性和扩散选择性的影响
• 4.4 渗透蒸发性能
• 4.4.1 二氧化硅填充量对渗透蒸发性能的影响
• 4.4.2 操作温度对渗透蒸发性能的影响
• 4.4.3 原料液浓度对渗透蒸发性能的影响
• 4.4.4 原料液流速对渗透蒸发性能的影响
• 4.5 分子模拟计算
• 4.5.1 自由体积分数的计算
• 4.5.2 扩散系数的计算
• 4.6 脱硫性能对比
• 4.7 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢