DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.06.051

膜气体吸收法分离混合气中的苯

孙秀云，褚禛，吴一，李睿，李健生，王连军

(南京理工大学 环境与生物工程学院，江苏省化工污染控制与资源化重点实验室，江苏 南京，210094)

摘要：采用自行设计的膜气体吸收-减压膜蒸馏组合工艺装置，以N-甲酰吗啉(NFM)水溶液为吸收剂，疏水性多孔聚丙烯中空纤维膜组件(HEPPM)为膜接触器，研究膜气体吸收法分离C₆H₆/N₂混合气性能，考察含苯废气流量、质量浓度，吸收剂流量、NFM体积分数、温度及负载对分离效果的影响。实验结果表明：在NFM 体积分数为40%，含苯废气质量浓度为3.6~9.6 mg/L，吸收剂流量为15~75 mL/min，含苯废气流量为 50~300 mL/min条件下，苯的去除率为52.8%~99.3%，总体积传质系数为0.008~0.026 s^-1；采用膜气体吸收法分离C₆H₆/N₂混合气具有较高的分离效率和较快的传质速率。

关键词：膜气体吸收；聚丙烯中空纤维膜；N-甲酰吗啉；苯

中图分类号：TQ028.8             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)06-2376-06

Membrane-based gas absorption for separation C₆H₆ from N₂

SUN Xiuyun, CHU Zhen, WU Yi, LI Rui, LI Jiansheng, WANG Lianjun

(Jiangsu Key Laboratory of Chemical Pollution Control and Resources Reuse,

School of Environmental and Biological Engineering,

Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract: In a self-made membrane gas absorption-vacuum membrane distillation combined process device, by using N-formylmorpholine (NFM) aqueous solution as absorbent and hydrophobic porous polypropylene hollow fiber membrane module (HEPPM) as the membrane contactor, the performance of membrane gas absorption process for separating C₆H₆/N₂ gas mixture was studied. A comprehensive review of the inlet gas flow, gas mass concentration, flow of absorbent, absorbent, absorbent temperature and volume fraction of NFM absorbent load on separation efficiency was carried out. The experimental results show that benzene removal rate of 52.8%-99.3% and the total volumetric mass transfer coefficient of 0.008-0.026 s^-1 are achieved, under the conditions of the NFM volume fraction of 40%, imports of gas concentration of 3.6-9.6 mg/L, absorbent flow rate of 15-75 mL/min, and inlet gas flow of 50-300 mL/min, indicating that the membrane gas absorption process for separating C₆H₆/N₂ mixed gas has the advantages of high separation efficiency and high rate of mass transfer.

Key words: membrane-based gas absorption; polypropylene hollow fiber membrane; N-formyl morpholine; benzene

挥发性有机化合物(VOC)一般作为溶剂应用于石油化工、涂料、医药等行业。VOC挥发到空气中，不仅会污染环境，而且会危害人体健康^[1-2]，如苯类化合物会损害人的中枢神经，造成神经系统障碍，其被摄入人体后会危及造血器官，摄入过量会有出血症状或感染败血症^[3]。传统VOC净化回收方法有2类：一类是破坏性的方法，如燃烧法等，将VOC转化为CO₂和H₂O；另外一类是非破坏性的方法，如碳吸附法、冷凝法、膜分离法等^[4]。膜气体吸收技术是膜分离技术与传统的气体吸收技术相结合的新型气液吸收过程，通常使用微孔中空纤维膜(气液膜接触器)将气液两相分开，气相中的组分在驱动力作用下通过膜孔扩散至液相，并被液相吸收，从而达到分离目的^[5]。与传统气液吸收装置(如填料塔等)相比，膜接触器具有传质效率高、能耗低、装置体积小、操作稳定和弹性大等优势^[6-7]。Zhang等^[8]利用膜接触器吸收SO₂和CO₂等酸性气体，其后国内外在这方面的研究十分活跃，所涉及内容包括膜材料及结构形态、膜组件结构等对传质性能的影响，吸收溶剂的选择，操作条件对吸收性能的影响等^[9-12]，但利用膜气体吸收技术处理VOC废气的研究较少。李睿等^[13]研究了膜气体吸收技术分离VOC/N₂混合气的性能，徐军等^[14]研究了真空膜蒸馏分离苯/N-甲酰吗啉水溶液体系。本研究在此基础上将苯的吸收与吸收剂的再生过程联立，自制膜吸收-减压膜蒸馏组合工艺一体化装置，以目前已在粗苯精制、含苯废水吸收等领域得到广泛应用的N-甲酰吗啉(NFM)水溶液为吸收剂，以聚丙烯中空纤维膜(HFPPM)为接触器，分离C₆H₆/N₂混合体系中的苯，研究各操作参数对吸收过程和传质性能的影响，并结合实验结果探讨膜气体吸收工艺最佳操作条件。

1  实验

实验用膜材料均为疏水性多孔HFPPM，膜及膜组件由天津蓝十字膜技术有限公司提供，其物理参数见表1。NFM(质量分数为99.5%)由江苏溧阳雨田化工有限公司提供，在实验过程中，如无特别指明外，NFM体积分数(φ)均为40%。

表1  多孔聚丙烯中空纤维膜组件特性参数

Table 1  Characteristic parameters of the HFPPM module

实验装置流程图如图1^[13]所示，实验采用管程流动方式，即气体在HFPPM膜丝内流动，吸收剂在壳程流动，在膜组件中，气相与液相逆流通过。在室温下，按实验要求用配气系统配制一定质量浓度的C₆H₆与N₂混合气到混合气瓶，并测定其中苯的质量浓度。从图1可见：混合气由混合气瓶(1)经减压阀减压至接近常压，与氮气(2)混合至实验浓度，混合气和氮气流量均由质量流量控制器(16和17)控制。混合后的含苯废气进入吸收膜组件(5)中，混合气中的苯通过膜孔扩散至膜另一侧，被吸收剂吸收，进入液相；吸收后的气相从膜组件另一端气体出口放出。贫液槽(9)中的吸收剂由蠕动泵(7)抽出，经液体流量计(6)送入吸收膜组件中，吸收扩散过来的苯随吸收剂一起流入富液槽(8)，然后进入再生膜组件(10)，通过减压膜蒸馏过程进行再生。将再生出来的苯蒸气经冷阱(11)冷却后进入气液分离器(12)与空气进行分离回收，再生后的贫液被送回贫液槽，吸收剂以此循环，膜气体吸收装置与吸收剂再生装置可独立运行，也可以联立运行。吸收膜组件进出口气中苯的质量浓度由Agilent GC6820气相色谱分析测定，2路气通过电磁阀进行切换测定。液相进出口质量浓度采用静态顶空法测定。

图1  膜气体吸收实验装置流程图

Fig. 1  Schematic diagram of experimental setup for gas absorption experiments in membrane contactor

数据处理中，膜接触器传质性能用苯去除率η及总体积传质系数K_Ga作为评价指标。由于混合气中苯的含量相对较低，衡算过程中忽略进出口气相体积变化，根据物料衡算关系和传质速率方程，可得出下列等式：

 (1)

式中：G为含苯废气流量(mL/min)；ρ为质量浓度(mg/L)； A为膜组件截面积(m²)；Ｌ为膜组件有效长度；下标l代表液体，g代表气体，in和out代表进口和出口；ρ^*为平衡质量浓度；H为亨利定律常数。

因实验采用逆流操作，液相进口浓度较低，所以气相出口平衡浓度 相对于出口气浓度可忽略不计， 因此，可得到K_Ga为

 (2)

去除率η可由下式表示：

            (3)

2  结果与讨论

2.1  含苯废气流量对分离效果的影响

当ρ_{g, in}为3.9 mg/L时，含苯废气流量对去除率η的影响如图2所示；含苯废气流量对总体积传质系数K_Ga的影响如图3所示。由图2和图3可知：当含苯废气流量低于50 mL/min时，苯的去除率高于97%，苯的去除率随着含苯废气流量的增大而减小，总体积传质系数随着含苯废气流量的增大而增大，而且吸收剂流量(Q)越小影响越明显。这是因为：含苯废气流量增大，导致气相阻力层变薄，从而气相分传质系数增大，因此，总体积传质系数增大。但含苯废气流量增大，导致气体在膜组件内的停留时间缩短，混合气中的苯还未被充分吸收即被带离膜组件，被吸收的苯减少，因此，苯的去除率η降低。

2.2  含苯废气质量浓度对分离效果的影响

含苯废气质量浓度的变化对整个传质过程存在2方面的影响：一方面，含苯废气质量浓度增大，导致膜2侧气相和液相中苯的质量浓度梯度增大，传质推动力增大，而此时气相阻力较为薄弱，从而使传质过程向着有利于吸收的方向进行；另一方面，含苯废气质量浓度增大，也导致气相阻力层变厚，气相阻力增大，从而使传质过程向不利于吸收的方向进行。在不同的含苯废气质量浓度下，这2个方面的影响所占的主导地位不同。

图2  含苯废气流量G对去除率η的影响

Fig. 2  Effect of flowrate of feed gas on η

图3  含苯废气流量G对总体积传质系数K_Ga的影响

Fig. 3  Effect of flowrate of feed gas on K_Ga

当Q为45 mL/min，G为200 mL/min时，含苯废气质量浓度ρ_g,in对去除率η和总体积传质系数K_Ga的影响，如图4所示。从图4可见：当含苯废气质量浓度为1.7~8.3 mg/L时，传质推动力作用占主导地位，因此，苯的去除效率和总体积传质系数随着进口气质量浓度增大而增大；当含苯废气质量浓度大于8.3 mg/L时，气相阻力占主导地位，因此，苯的去除效率和总体积传质系数随着含苯废气质量浓度的增大反而有下降趋势；但当含苯废气质量浓度从1.7 mg/L提高到10.1 mg/L时，苯的去除率从94.6%上升到98.1%，仅提高了3.5%，表明含苯废气浓度对苯的去除率影响不大。

图4  含苯废气质量浓度ρ_g,in对去除率η和总体积传质系数K_Ga的影响

Fig. 4  Effect of mass concentration ρ_g,in of feed gas on η and K_Ga

2.3  吸收剂流量对分离效果的影响

当ρ_{g, in}为6.4 mg/L时，吸收剂流量对去除率η的影响如图5所示，吸收剂流量对总体积传质系数K_Ga的影响如图6所示。由图5和图6可知：随着吸收剂流量的增大，苯的去除率和总体积传质系数均增大，且进口气流量越大，影响越明显。吸收剂流量增大，使液相阻力层变薄，使膜组件内吸收剂湍流程度增强，使吸收剂单位时间内吸收的苯的量减少，从而增大了膜2侧气相和液相中苯的质量浓度梯度；三者均使传质向有利于吸收的方向进行，因此，苯的去除率和总体积传质系数均增大。但当进口气流量较小时，由于气体在膜组件内的停留时间较长，从而影响作用较小，因此，进口气流量越大影响越明显。

图5  吸收剂流量Q对去除率η的影响

Fig. 5  Effect of flowrate of absorbent Q on h

图6  吸收剂流量对总体积传质系数K_Ga的影响

Fig. 6  Effect of flowrate of absorbent on K_Ga

2.4  吸收剂中NFM体积分数对分离效果的影响

当ρ_{g, in}为4.5 mg/L时，吸收中NFM体积分数对去除率η的影响如图7所示，吸收中NFM体积分数对总体积传质系数K_Ga的影响如图8所示。由图7和图8可知：随着吸收剂中NFM体积分数的增大，苯的去除效率和总体积传质系数均增大。NFM对于苯的吸收属于物理吸收，从而NFM体积分数的增大，使苯在吸收剂中的溶解度增大，从而液相分传质系数增大，因此，苯的去除率和总体积传质系数均增大。

图7  吸收中NFM体积分数φ对去除率η的影响

Fig. 7  Effect of volume fraction of NFM φ of absorbent on h

图8  吸收中NFM体积分数φ对总体积传质系数K_Ga的影响

Fig. 8  Effect of volume fraction φ of NFM of absorbent on K_Ga

2.5  吸收剂负载对分离效果的影响

当ρ_{g, in}为4.5 mg/L，Q为30 mL/min和G为200 mL/min时，吸收剂负载对去除率的影响，如图9所示。由图9可知：随着吸收剂中苯的质量浓度的增大，苯的去除率减小。当进口气质量浓度为4.5 mg/L，流量为200 mg/L，当吸收剂流量为30 mg/L时，吸收剂中苯的质量浓度由7.03 mg/L增加到70.3 mg/L，相应的苯的去除率η由79.2%降低至39%，吸收剂中苯的含量的增加对苯的吸收有明显的抑制作用。由于吸收剂中苯浓度的增加，使膜2侧气相和液相中苯浓度梯度减小，传质推动力减小，从而苯的去除率降低。因此，提高吸收剂再生效率能够明显提高吸收过程中苯的去除率。

图9  吸收剂负载ρ_l,in对去除率η的影响

Fig. 9  Effect of C₆H₆ initial concentration ρ_l,in in absorbent on h

2.6  吸收剂温度对分离效果的影响

实验采用电加热的方式改变吸收剂温度，并通过温度控制器使吸收剂保持恒温。

当ρ_{g, in}为6.1 mg/L，Q为45 mL/min和G为200 mL/min时，吸收剂温度对去除率η的影响如图10所示。从图10可知：苯的去除率随着吸收剂温度的升高而降低。吸收剂温度升高，有利于降低吸收剂黏度，从而提高苯在吸收剂中的扩散速度，但温度上升同时也大幅提高了苯在吸收剂中的亨利定律常数(即苯在吸收剂中的溶解度下降)，在这两者的作用下，苯的去除率呈下降趋势。因而，在吸收剂再生的过程中，可以通过提高吸收剂温度来提高再生效率，从而达到吸收剂循环使用的目的。

图10  吸收剂温度θ对去除率η的影响

Fig. 10  Effect of absorbent temperature θ on η

3  结论

1) 提高吸收剂流量和吸收剂中NFM体积分数、降低含苯废气流量，均有利于提高苯的去除率和总体积传质系数。含苯废气中苯质量浓度为8.3 mg/L时，去除效率最高，苯的去除率随吸收剂温度和吸收剂中苯质量浓度的上升而降低。

2) 在NFM 体积分数为40%，含苯废气质量浓度3.6~9.6 mg/L，吸收剂流量 15~75 mL/min，含苯废气流量50~300 mL/min条件下，苯的去除率为52.8%~ 99.3%，总体积传质系数为0.008~0.026 s^-1。因此，采用 NFM 水溶液，膜气体吸收技术分离C₆H₆/N₂体系具有较快的分离速率和较高的分离效率，具有良好的工业应用前景。

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(编辑  罗金花)

收稿日期：2014-09-02；修回日期：2014-11-04

基金项目(Foundation item)：江苏省教育厅高校科研成果产业化推进项目(JH09-10)(Project (JH09-10) supported by Scientific Research and Industrialization of Jiangsu Provincial Department of Education)

通信作者：王连军，教授，从事水污染控制理论与技术、膜分离理论与技术研究；E-mail：wanglj@njust.edu.cn