[科普中国]-渗透蒸发膜

渗透蒸发膜用有机高聚物制成的均质膜、非对称膜和复合膜，也称渗透汽化膜。当使透过侧构成负压时，膜两侧的分压差为传质动力。能溶于膜的组分，在透过侧被收集于真空系统中，或由惰性气体带走；而难溶于膜的组分不能透过而被截留，从而达到分离的目的。膜材料与被分离物之间相互作用力是决定分离系数的主要因素。制膜使用的高聚物有聚乙烯醇、聚丙烯腈、脱乙烯多壳糖。渗透蒸发膜的分离装置有管式、卷式、板框式和中空纤维组件的分离设备。渗透蒸发适用于较易挥发的物系。用以分离恒沸混合物、近沸混合物、水中有机毒物的去除。

渗透蒸发技术渗透蒸发是近十几年中颇受人们关注的膜分离技术。渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。可用于传统分离手段较难处理的恒沸物及近沸物系的分离。具有一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。

渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液体混合物。由高分子膜将装置分为两个室，上侧为存放待分离混合物的液相室，下侧是与真空系统相连接或用惰性气体吹扫的气相室。混合物通过高分子膜的选择渗透，其中某一组分渗透到膜的另一侧。由于在气相室中该组分的蒸气分压小于其饱和蒸气压，因而在膜表面汽化。蒸气随后进入冷凝系统，通过液氮将蒸气冷凝下来即得渗透产物。渗透蒸发过程的推动力是膜内渗透组分的浓度梯度。由于用惰性气体吹扫涉及大量气体的循环使用，而且不利于渗透产物的冷凝，所以目前一般都采用真空气化的方式。1

制备渗透蒸发膜的材料对于渗透蒸发膜来说，是否具有良好的选择性是首先要考虑的。基于溶解扩散理论，只有对所需要分离的某组分有较好亲和性的高分子物质才可能作为膜材料。如以透水为目的的渗透蒸发膜，应该有良好的亲水性，因此聚乙烯醇(PVA)和醋酸纤维素(CA)都是较好的膜材料；而当以透过醇类物质为目的时，憎水性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)则是较理想的膜材料。

对于二元液体混合物，要求膜与每一组分的亲和力有较大的差别，这样才有可能通过传质竞争将两组分分开。渗透过程取决于组分与膜之间的相互作用，这种作用因素可归纳为4个方面：色散力、偶极力、氢键和空间位阻。1

制备渗透蒸发膜的主要材料用于制备渗透蒸发膜的材料大体上可分为两类：一类是天然高分子物质，另一类是合成高分子物质。

天然高分子膜主要包括醋酸纤维素(CA)、羧甲基纤维素(CMC)、胶原、壳聚糖等。这类膜的特点是亲水性好，对水的分离系数高，渗透通量也较大，对分离醇-水溶液很有效。但这类膜的机械强度较低，往往被水溶液溶胀后失去机械性能。如羧甲基纤维素是水溶性的，只能分离低浓度的水溶液。采用加入交联剂的方法可以增强膜的机械性能，但同时会降低膜性能，即使经过交联处理的膜,经长时间使用后也会逐步失去其最初的较优良的分离性能。由于上述原因，用天然高分子材料制备的渗透蒸发膜的适用性受到很大限制，近年来逐步被合成高分子材料所取代。

用于制备渗透蒸发膜的合成高分子材料包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PSt)、聚四氟乙烯(PTFE)等非极性材料和聚乙烯醇(PVA)，聚丙烯腈(PAN)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等极性材料。非极性膜大多被用于分离烃类有机物，如苯与环已烷、二甲苯异构体，甲苯与庚烷以及甲苯与醇类等，但选择性一-般较低。

极性膜一般主要用于醇-水混合物的分离。其中聚乙烯醇是最引人注目的一种分离醇-水混合物的膜材料。聚乙烯醇对水有很强的亲和力，而对乙醇的容解度很小，因此有利于对水的选择吸附。该膜在分离低浓度水-乙醇溶液时有很高的选择性。但当水的浓度大于40%时，膜溶胀加剧，导致选择性大幅度下降。1

渗透蒸发技术应用领域渗透蒸发作为一种无污染、高能效的膜分离技术已经引起广泛的关注。该技术最显著的特点是很高的单级分离度，节能且适应性强，易于调节。渗透蒸发膜分离法已在无水乙醇的生产中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇相比．可大大降低运行费用，且不受汽-液平衡的限制。

除了以上用途外，渗透蒸发膜在其他领域的应用尚都处在实验室阶段。预计有较好应用前景的领域有：工业废水处理中采用渗透蒸发膜去除少量有毒有机物(如苯、酚、含氯化合物等)；在气体分离、医疗、航空等领域用于富氧操作；从溶剂中脱除少量的水或从水中除去少量有机物；石油化工工业中用于烷烃和烯烃、脂肪烃和芳烃、近沸点物、同系物、同分异构体等的分离等。1

本词条内容贡献者为:

李航 - 副教授 - 西南大学