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聚丙烯中空纤维膜接触器分离CO_2的研究

吕月霞  
【摘要】:化石燃料在燃烧过程中产生的CO:气体导致全球日益变暖,给地球的生态环境和人类的生存条件带来严重的威胁。CO:捕获与封存是在短期内能够稳定或降低大气中温室气体含量的一种有效途径,对减缓气候变化的风险具有重要的意义。膜气吸收技术耦合了气体膜分离技术与气体吸收技术的优点,是一种非常有应用前景的CO2分离工艺,但该技术目前尚处于起步阶段,还有许多问题亟待解决。本论文基于该新型分离技术,围绕膜气吸收系统的传质过程和长期稳定性、酸性气体共脱除的可行性、膜和溶剂的交互作用机理及膜表面疏水性能的提高等问题,进行了理论分析和实验研究。本文的主要研究工作和结论有以下几个方面: 以疏水性聚丙烯中空纤维膜接触器作为反应器,搭建了从模拟烟气中分离CO2的实验装置,研究了膜气吸收系统分离CO2的传质过程,考察了各种工艺参数对系统吸收性能的影响,并探讨了膜组件长周期连续运行时的稳定性。研究发现该新型分离系统可以获得较高的CO:脱除效率和传质速率,但膜孔润湿使膜相传质阻力增加,成为制约膜气吸收系统高效分离烟气中CO2的关键因素,通过增加气相压力的方法可以瞬间恢复膜接触器的大部分吸收性能。 研究了用MEA溶液在聚丙烯中空纤维膜组件内实现CO:和SO:共脱除的可行性,考察了SO:存在对CO:吸收性能的影响。研究发现,膜气吸收系统可以同时高效脱除这两种酸性气体;烟气中的SO2会消耗部分吸收剂,降低了CO2的脱除率和传质速率,但低浓度的SO2对CO2吸收性能的影响有限。 通过各种表征手段分析了吸收剂侵蚀的聚丙烯膜丝,在此基础上揭示了吸收-溶胀机理,研究了膜和吸收剂之间交互作用对膜孔形貌和表面性能的影响规律,并提出了减缓膜孔润湿现象的方案。研究发现,吸附在聚丙烯基体分子链内的吸收剂分子所引起的膜丝溶胀是造成膜孔润湿的主要原因,膜和溶剂的交互作用和膜孔润湿是影响传质过程的两个重要因素,通过研制表面张力较高的新型吸收剂和提高膜接触器的疏水性能等方法可以减缓或预防膜孔润湿现象。 利用表面涂覆工艺制备了具有超疏水表面的聚丙烯中空纤维膜,研究了非溶剂类型对改性膜的表面结构和性能的影响,考察了表而改性工艺对膜丝疏水性能和膜组件吸收性能的影响。研究结果表明,用等质量配比的环己酮与丁酮作非溶剂时,所获得的改性表而具有较好的涂覆均匀性、疏水性能和适当的改性时间。经过表而改性处理的膜丝在疏水性和抗润湿性方而都有不同程度的提高。从系统长周期运行的角度来说,该表而涂覆工艺可以提高聚丙烯中空纤维膜组件的疏水性能和系统运行的稳定性。


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