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渗透汽化透醇膜在发酵液中生物燃料浓缩中的应用研究
《中国化学工程学报》 郑沛尧 / 时间:2019-08-06 15:58:59

  据中国化学工程学报微信公众平台2019年7月15日讯 从低浓度发酵液中提取醇类产物是生物燃料生产过程中的重要环节。渗透汽化膜分离技术具有环境友好和易与发酵装置耦合等特点,能够实现发酵连续进行,受到研究者的关注。醇类物质作为新型燃料提供能源,其生产能耗必须控制,以实现其经济性。生产的能耗主要体现于分离过程,对于渗透汽化膜过程而言,能耗用于提供组分汽化潜热,所有透过组分均发生相变而消耗能量,透过侧醇类浓度越高越节能。因此渗透汽化透醇膜的选择性非常重要。
  北京工业大学郑沛尧、李翀、王乃鑫、李杰、安全福等人《能耗分析视角下的渗透汽化透醇膜在发酵液中生物燃料浓缩中的应用(The potential of pervaporation for biofuel recovery from fermentation: An energy consumption point of view)》一文从渗透汽化的基础概念与原理出发,首先对分离过程所需的汽化热进行了重点讨论,然后整理了渗透汽化透醇膜对低浓度乙醇和丁醇溶液的分离性能,并与气液平衡数据(VLE)进行了比较。综述中清晰呈现了渗透汽化透醇膜的发展现状,并为未来研究方向提供了参考和借鉴。
  主要结论为:1)透乙醇和透丁醇的膜材料包括疏水型沸石分子筛(如ZSM-5和silicalite-1等),聚二甲基硅氧烷(PDMS)及其衍生物,聚三甲基硅丙炔(PTMSP),聚醚嵌段聚酰胺(PEBA),新型多孔材料(MOFs等)以及离子液体等。2)对于乙醇提浓,高性能的膜主要是分子筛膜、PTMSP及其有机-无机杂化膜,而对于大多数聚合物膜,透过液组成难以达到气液平衡线,与蒸馏过程相比,能耗成本更高。3)与乙醇相比,丁醇更容易分离,其在透过液组分中浓度高。对比简单蒸馏过程,文献报道性能用最优的silicalite-1膜能耗相比简单蒸馏可降低约90%,而PDMS膜能耗约为简单蒸馏的50%。4)实验室研究结果中出现几种特殊材料,对乙醇表现出非常优异的分离性能,但制备方法较为复杂,尚未深入研究其工业化前景。


渗透汽化透醇膜在发酵液中生物燃料浓缩中的应用研究

图1.渗透汽化透醇膜材料与性能


  为推进渗透汽化透醇技术的工业化应用,几个重要问题亟待解决。即膜选择性、膜规模化制备和膜长期稳定性。选择性,即与VLE数据对比下的分离性能,决定了渗透汽化分离能耗,及其实用性。膜规模化制备和膜长期稳定性是限制沸石与两类性能最佳膜工业化进程的主因。沸石膜价格昂贵,难以制备大面积无缺陷的成品;PTMSP则因老化和性能衰减而难以应用。
  据此,本文对后续渗透汽化透醇膜领域发展方向提供了几点建议:1)对于乙醇提浓,重点应设计具有乙醇选择性(选择性>1)的膜材料。从能耗角度而言,选择性不高的膜对分离无贡献。2)对于丁醇提浓,PDMS等聚合物膜已具备节能优势,在此基础上,提高渗透性可及处理能力带来更高收益。3)若能够长久模化制备与稳定性,分子筛膜是生物燃料浓缩过程最具潜力的膜材料。