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用亲水性陶瓷膜接触器进行二氧化硫吸取的可行性分析
《中国化学工程学报》 高兴银 / 时间:2018-12-19 09:28:04

  据中国化学工程学报微信公众平台2018年12月14日讯 南京工业大学高兴银、邱鸣慧、符开云、徐鹏、孔祥力、陈献富、范益群《用亲水性陶瓷膜接触器进行SO2吸取的可行性分析(Feasibility analysis of SO2 absorption using a hydrophilic ceramic membrane contactor)》一文在《中国化学工程学报》上发表(Chinese Journal of Chemical Engineering, Volume 26, Issue 10, October 2018, Pages 2139-2147, DOI:https://doi.org/10.1016/j.cjche.2018.07.011)。
  船舶尾气中硫氧化物的大量排放对大气造成了严重的污染,对人体健康也有很大的威胁,其形成的酸雨对植物和建筑物造成了极大的破坏,因此国内外颁布了越来越严格的限硫令。膜基气体吸取技术充分结合了气体吸取技术(高效选择性)和膜分离技术(结构紧凑性)的优点,是一种具有发展前景的脱硫新技术。船舶尾气具有温度高、硫氧化物腐蚀性强等特点,而且吸取剂碱性较强,这对膜材料提出了更高的要求。陶瓷膜具有耐高温、耐酸碱、机械强度高、使用寿命长等优点,将其运用到船舶尾气脱硫中具有良好的应用前景。
  目前,研究最多的是非润湿模式,研究者普遍认为润湿模式下的传质阻力远大于非润湿模式下的传质阻力,润湿模式不利于吸取。Wang等发现非润湿模式下CO2的吸取性能是润湿模式下的6倍,即使膜孔有5%被润湿,总传质效率会出现20%的下降。但是,非润湿模式现在普遍存在膜孔润湿的问题,成为不稳定的部分润湿模式,降低膜基气体吸取的传质性能,无法保证操作的长期稳定性。不仅有机膜会出现传质性能下降,疏水改性的陶瓷膜也会出现性能下降。根据文献,本文对非润湿模式和润湿模式的适用范围作出了假设。当被吸取气体浓度高、与吸取剂的反应速率慢、在膜孔里充满气体时被吸取气体的扩散速度远大于膜孔里充满液体时被吸取气体的扩散速度,此时选择非润湿模式,比如高浓度的CO2吸取。当被吸取气体浓度低、吸取剂的浓度高(扩散到气液界面的吸取剂满足被吸取组分的反应需要)、与吸取剂的反应速度快(容易吸取)时,此时膜相阻力大大降低,应选择润湿模式,比如低浓度的SO2、H2S吸取。
  为了验证亲水陶瓷膜在润湿模式下脱硫的可行性,本文将亲水Al2O3陶瓷膜和疏水改性的陶瓷膜分别组装成膜接触器,以不同浓度的NaOH溶液作为吸取剂,比较亲、疏水膜的脱硫效果,发现当NaOH的浓度高于0.2M时,亲水膜比疏水膜具有更好的脱硫效果,NaOH浓度越高,亲水膜优势越明显。比较了不同孔径和孔隙率的陶瓷膜对脱硫的影响,发现在平均孔径1μm的支撑体涂覆平均孔径100nm的膜层的Al2O3陶瓷外膜是一种比较合适的陶瓷膜材料。
  为了提高亲水膜接触器在润湿模式下的传质性能,对气体流量、液体流量、液体温度、进气SO2浓度、吸取剂浓度等操作条件进行考察优化。发现采用NaOH溶液作为吸取剂,提高吸取剂温度、NaOH浓度有利于SO2的脱除;吸取剂的流速对脱硫的影响很小;进气流速和进气SO2浓度的提高都降低了脱硫率,SO2通量先增加后不变。
  综上所述,对于烟气中低浓度的SO2,通过提高吸取剂浓度和温度以及选择孔隙率更高、孔径合适的膜材料等方法,提高亲水陶瓷膜接触器在润湿模式下的脱硫性能。与疏水膜接触器相比,亲水陶瓷膜接触器不仅操作稳定性得到了保证,而且通过控制合适的操作条件,其传质性能大幅提高,在船舶尾气脱硫中具有良好的应用前景。


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图1.膜基气体吸取技术原理示意图


  通讯编辑及团队先容
  范益群,男,1968年生,博士,教授,博士生导师。主要从事多孔陶瓷膜制备技术和膜分离集成技术研究。近三年来一直从事多孔陶瓷膜的基础研究及其产业化工作,基础研究成果在膜领域国际顶尖刊物Journal of Membrane Science发表了系列论文。注重产学研合作,主导建设国内最大的陶瓷膜生产线,生产规模和产品质量均达到国际先进水平。获得了国家科技进步二等奖一项(第3),获得了教育部技术发明二等奖(第1)和国家能源科技二等奖(第1)。
  参与申报国家特种分离膜工程技术研究中心,已经获得批准;参与申报“江苏省膜材料与膜过程协同创新中心”,省级协同创新中心的申报已经获得了批准;参与国家十二五科技专项规划的编写。主持承担了国家973项目课题、863重点项目课题和重大项目课题各一项。
  在教学工作方面,2012年和2013年主持本科生课程《化学工程研究进展》;引导的本科毕业论文获得江苏省二等奖、三等奖各一项;引导的本科生获得第六届江苏省大学生创业计划竞赛特等奖。

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