膜渗透汽化分离技术在芳香烃/链烷烃分离领域的应用

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摘要：近年来，膜渗透汽化分离技术在芳香烃/链烷烃分离领域的应用倍受关注。不同基材的膜表现出不同的渗透性和选择性。聚烯烃作用于混合烃的分离，成膜性好、通量大，但易于溶胀，选择性欠佳；而芳香族聚氨酯、聚醚酰胺和聚苯并唑选择系数较高，但膜通量小、操作条件苛刻。

关键词：膜渗透汽化，芳香烃，链烷烃，分离

中图分类号：TF803文献标识码： A

膜渗透汽化分离技术相对于其它芳香烃/链烷烃分离技术而言起步较晚, 但由于其操作简单，分离选择性高的特点，近年来倍受关注[1-3]。苯/环己烷，苯/正庚烷，对二甲苯/邻二甲苯以及甲苯/正庚烷等体系的分离一直是膜渗透汽化分离技术的研究热点。

膜的渗透性和选择性是芳香烃/链烷烃分离时，需要考虑的两个主要问题。一方面膜的渗透性主要与膜的化学本质、膜的物理结构相关。早期文献报道的聚合物膜主要以聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、尼龙6、聚甲基丙烯酸酯及聚烯丙基胺作为渗透汽化膜材料，这些材料用于苯/环己烷混合物的分离成膜性好、通量较大，但其分离选择性能较差[4-7]。Matsui 和 Paul [8]考查了几种聚丙烯酸酯膜的渗透通量与结构的关系。发现随烷基的增加，甲苯的通量显著提高，最高达到1000 kg•μm•m-2•h-1。另一方面，各渗透组分不同的溶解性是获得高选择性的关键。Semenova [9_ENREF_83] 认为依靠在聚合物膜中引入具有π电子接受特性的基团来改变体系的吸附和扩散特性能够有效的增加分离效率。特别是膜的渗透选择性可以通过引入具有π电子黏附力的活性基团（如聚磷酸酯基、 砜基、 丙烯酸酯基和苯基）而得到大幅度的提高。另一种提高膜性能的方法是配位剂的使用。Inui 等[10_ENREF_85]报道了用三价铁和二价钴阳离子交联的丙烯酸酯膜分离苯/环己烷的研究。芳香烃的π轨道能够与钴的3d轨道形成配位，而链烷烃即环己烷或者正庚烷和钴是不可能发生配位的。因此，膜在苯中的溶胀度比在链烷烃中的大。

近年来，由于较高的化学稳定性和热稳定性，芳香族聚酯、芳香族聚酰亚胺和聚苯并唑在芳香烃/链烷烃分离领域越来越受到重视[11-14]_ENREF_50 。然而刚性主链和分子间较强的相互作用力导致了高的熔点和玻璃化转变温度，限制了膜材料在大多数有机溶剂中的溶解性。在聚酰亚胺中引入具有较大空间位阻或者扭曲特性的取代基，可以在一定程度上使分子的自由体积增大，从而提高膜的渗透通量。而膜对芳香烃的选择性依赖芳香烃对膜的溶解性，可以通过引入芳烃亲和性基团的方法得以改善。Okamoto 等[15]采用三甲基苯二胺或四甲基苯二胺和二酐合成聚酰亚胺膜, 对苯/环己烷混合物的分离系数最大达到11, 渗透速率为 24 kgμm/m2h；又由二苯砜四羧酸二酐(DSDA ) 和二甲基二氧二苯并噻吩二胺(DDBT ) 制备高砜基含量聚酰亚胺，表现出优良的化学稳定性和良好的芳香烃选择性，对苯/环己烷（苯含量为60 wt.%）进行分离时，渗透速率为0. 93 kgμm/m 2h，选择系数为32；对甲苯/异辛烷（甲苯含量为60wt.%）进行分离时，渗透速率为2. 8 kgμm/m2h，选择系数为113。此膜对甲苯和苯吸附量均较大, 而对链烷烃的吸附量很小，因而表现出较高的选择性。M. T. H. Suding等[16] 合成一种新型含硫共聚酰亚胺19 : 1 FDA4,4’-SDA/DABA，并用于不同芳香烃/链烷烃的分离。当喂料组份为甲苯和正癸烷，甲苯浓度分别为60、70、80 wt. % ，温度在70 -90◦C时，流通量和选择系数变化不大；然而，温度在90- 110◦C之间，流通量大幅增加；对于 80 wt. %甲苯混合物，流通量从1.9增加到7 kg/m2h，选择系数从11.8 降低到9.3。Park 等[17_ENREF_97]最近克服了聚苯并唑 (PBOs)合成的挑战，利用含有邻位定位功能化基团的可溶聚酰亚胺的热重排合成了新型汽化渗透膜。该膜显示了优良的CO2/CH4 和其它气体混合物的分离性能。

结束语 膜渗透汽化技术在烃类混合物分离领域的应用受到了广泛关注。聚烯烃类作为渗透汽化膜材料用于混合烃的分离，尽管表现出成膜性好、通量大的特点，但是易于溶胀，选择性欠佳一直是难以解决的问题。而芳香族聚氨酯、聚醚酰胺和聚苯并唑用于渗透汽化膜材料具有较高选择系数，但小通量和严格的操作条件是急待解决的问题。

基金支持：本项目受吉林建筑大学 青年科技发展基金支持（项目代码：862108）

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作者简介：于环洋（1979-），女，博士研究生，吉林建筑大学讲师。