膜法吸收燃煤烟气中CO_2之膜润湿机理及其改性研究.pdf-_矿业文库_煤矿文库_有色文库_金属矿山文库_矿山安全_煤矿安全_采矿技术措施

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Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．６１９０化工新型材料ＮＥＷＣＨＥＭＩＣＡＬＭＡＴＥＲＩＡＬＳ第４２卷第６期２０１４年６月基金项目国家自然科学基金项目（５１１７６０３４）作者简介王霞（１９９０－），女，硕士，主要研究方向为膜吸收／分离燃煤烟气中的ＣＯ２。联系人杨林军，教授，博士生导师。膜法吸收燃煤烟气中ＣＯ２之膜润湿机理及其改性研究王霞１瞿如敏１陈浩１杨林军１＊冒咏秋２（１．东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，能源与环境学院，南京２１００９６；２．南京凯盛开能环保能源有限公司，南京２１００９６）摘要膜吸收法因吸收过程中膜润湿所造成的膜相阻力增加与膜表面形态改变是阻碍膜吸收法吸收ＣＯ２的工业应用的重要因素。首先叙述了吸收膜的润湿机理，并基于国内外所采用的提高膜抗润湿性的表面改性研究作了归类总结。最后，从提高疏水性能、稳定性、环保性及可操作性等方面分析比较了各种表面改性方式的优劣，并得出表面物理涂敷法能有效提高吸收膜的抗润湿性并具有良好工业应用前景。关键词吸收膜，ＣＯ２，润湿机制，疏水性，改性Ｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄａｎｔｉ－ｗｅｔｔｉｎｇｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒＣＯ２ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｍｂｒａｎｅｓＷａｎｇＸｉａ１ＱｕＲｕｍｉｎ１ＣｈｅｎＨａｏ１ＹａｎｇＬｉｎｊｕｎ１ＭａｏＹｏｎｇｑｉｕ２（１．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｎｅｒｇｙＴｈｅｒｍａｌＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ；ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６；２．ＮａｎｊｉｎｇＫｅｓｅｎＫｅｎｅｎ＆ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＥｎｅｒｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６）ＡｂｓｔｒａｃｔＮｏｗａｄａｙｓ，ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｍａｓｓｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｓｕｒｆａｃｅｍｏｒ－ｐｈｏｌｏｇｙｄｕｅｔｏｍｅｍｂｒａｎｅｗｅｔｔｉｎｇｈａｓｂｅｅｎａｐｒｉｍａｒｙｄｒａｗｂａｃｋｆｏｒｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｍｂｒａｎｅｇａｓａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｗｅｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｏｆｍｅｍｂｒａｎｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｓｐｅｃｉｆｉｃｓｕｒｆａｃｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈ－ｏｄｓｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｓｐｅｃｉｆｉｃｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｔｌａｓｔ，ｉｔｗａｓｃｏｎｆｉｒｍｅｄｔｈａｔｄｅｐｏｓｉｔｉｎｇａｒｏｕｇｈｌａｙｅｒｂｙｐｈｙｓｉｃａｌｃｏａｔｉｎｇｏｎｔｈｅｍｅｍｂｒａｎｅｓｕｒｆａｃｅｈａｄｇｏｏｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍｅｍｂｒａｎｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ＣＯ２，ｗｅｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ，ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ膜法捕集燃煤烟道气中的ＣＯ２是当前国内外研究的一大热点，大致可分为膜吸收法和膜分离法两类，其中膜吸收法将化学吸收和膜技术成功结合，解决了传统化学吸收技术中的液泛以及雾沫夹带等问题，具有占地面积小、结构紧凑、操作灵活等一系列优点。但吸收膜一旦被润湿，就会造成膜阻力急剧增加、膜表面形态改变，从而恶化膜吸收系统的吸收性能和稳定性，因此膜润湿问题是阻碍膜吸收法工业化发展的关键问题。学者们针对膜润湿对总传质阻力及吸收效率产生的影响也做了大量理论和实验研究。１９９６年，Ｒａｎｇｗａｌａ［１］通过理论计算和实验对比分析得出，即使有２％的边缘孔道被润湿，也会导致膜相阻力急速增大，达到总传质阻力的６０％。Ｗａｎｇ等［２］研究得出非润湿操作模式下ＣＯ２的吸收速率是润湿模式下的６倍。Ｋｅｓｈａｖａｒｚ等［３］也研究发现，即使膜被润湿的体积分数很低，也会造成吸收通量明显下降。Ｋｈａｉｓｒｉ等［４］采用单乙醇胺（ＭＥＡ）为吸收剂来研究膜吸收系统（ＧＡＭ）中ＣＯ２的吸收情况，结果表明当膜孔被液体吸收剂润湿，膜传质阻力开始转变为传质过程中的主要阻力，且随着膜润湿比率的增加，吸收性能逐渐恶化。当ＧＡＭ系统中膜发生完全润湿时，吸收通量和总传质系数分别下降约７８％和８６％。由此可见，膜润湿后增加了膜传质阻力，很大程度上恶化了系统的运行。对此，国内外学者分别从研制新型吸收剂［５－６］、优化膜吸收操作条件［７］、膜改性方面着手，以提高膜的抗润湿性能。从工业运用角度看，对膜进行改性，以提高膜本身的疏水性能是一条可行而具有应用前景的方案。因此，本研究对吸收膜的润湿机理、提高吸收膜抗润湿性的改性两方面进行分析和总结。１吸收膜润湿机理膜润湿受到吸收剂表面张力、操作条件、膜结构以及吸收剂与膜表面的接触角等诸多因素的影响。要欲使膜组件在非润湿操作模式下运行，应使液相侧压力略高于气相侧压力，但液相侧压力也不宜高于临界突破压力，否则液相便会进入膜孔，导致膜的润湿。此外，吸收剂表面张力越高、接触角越大，膜越不容易被润湿［８］。Ｌｕ等［９］利用Ｌａｐｌａｃｅ方程、串联阻力方程及膜孔分布函数等数学方程，建立了基于润湿机制的吸收模型，探讨了操作条件和膜结构对膜润湿的影响；结果得出总传质系数随着液相侧操作压力的增大而迅速下降；操作温度越高，传质系数Ｋ值下降的越多。此外，操作条件相同

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