基于PTFE中空纤维膜的真空膜蒸馏技术再生CO2吸收剂的研究

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由于人类活动而产生的CO2的排放导致了温室效应的日益加重。有效控制CO2排放对人类生活有着重要的意义。目前,CO2的处理方法有很多种,但是已经工业化的CO2捕集分离方法仍存在许多问题。中空纤维膜分离技术是近年来新发展起来的一类CO2吸收分离技术,该技术具有分离效率高、气体选择性强、装置简单和操作方便等特点,是一种具有潜力的CO2吸收分离技术。在膜材料的选择方面上,聚四氟乙烯(PTFE)膜具有良好的疏水性、高的耐化学性和强的机械性能等特点,是一种理想的CO2吸收分离膜材料。本论文自主研发了具有不同形貌结构的PTFE中空纤维膜,并通过真空膜再生实验探讨了不同条件下CO2再生性能的变化,具体研究内容如下:(1)采用“挤出-拉伸-烧结”技术制备得到具有不同分子结构的PTFE中空纤维膜,并研究分析了PTFE中空纤维膜的表面形貌,膜孔径大小及分布和疏水性能。(2)采用中空纤维膜组件,以MDEA/PZ混合液作为吸收剂,探讨了PTFE膜结构(膜丝孔径、膜丝壁厚)和膜组件结构(膜装填密度、膜丝长度)在真空膜再生过程中对CO2再生性能的影响。(3)采用中空纤维膜组件研究了CO2真空膜再生过程的工艺参数(富液流速、富液温度、真空侧压、富液CO2负载量、扫气流速、吸收液组份配比)对CO2真空膜再生性能的影响,并分析研究了真空膜再生过程需要的能耗大小。(4)采用中空纤维膜组件研究了不同吸收剂分子结构(氨基上活泼H原子数、空间位阻效应、羟基基团个数、氨基基团个数、碳链长度和羟基位置)对CO2真空膜再生性能的影响。实验结果表明:(1)采用“挤出-拉伸-烧结”技术合成的PTFE中空纤维膜具有外表面膜孔致密、内表面膜孔疏松的非对称性微孔结构。膜丝孔径范围在0.110.2μm之间,膜丝孔隙率可达40%以上,同时膜表面的水接触角都高于110°,具有良好的疏水性能。(2)随着膜丝孔径的增加,CO2的解吸率和再生通量提高。随着膜丝壁厚的增大,CO2再生通量和解吸率逐渐下降。随着装填密度和膜丝长度的增加,CO2解吸率上升但再生通量降低。(3)随着富液流速的提高,CO2解析率逐渐下降但再生通量逐渐增加。随着富液温度、富液CO2负载量、扫气流速和吸收液MDEA组分浓度的上升,CO2再生性能逐渐提高。随着真空侧压的增加,CO2再生性能和膜再生能耗呈现逐渐下降的趋势。(4)随着氨基上活泼H原子数个数的增加,CO2再生性能下降。随着空间位阻效应、羟基基团个数、氨基基团个数和氨基链接的碳链长度的提高,CO2再生性能呈现上升趋势。此外,当吸收剂分子中羟基位于α-C上时,分子的空间位阻效应更高,能有效提高CO2真空膜再生性能。
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