PDMS復合膜回收酯化反應廢水中的異丁醇

左成業(yè)，涂睿，丁曉斌，，邢衛(wèi)紅

（1 南京工業(yè)大學國家特種分離膜工程技術研究中心，江蘇南京211816； 2 南京九思高科技有限公司，江蘇南京211816）

引 言

乙酸異丁酯是化學工業(yè)中的常用溶劑和食品和制藥行業(yè)中常見的添加劑。在乙酸和異丁醇的酯化反應生產乙酸異丁酯的過程中，產生含異丁醇和微量乙酸異丁酯的廢水。酯化反應廢水中異丁醇濃度一般在3%(質量)左右，廢水化學需氧量(COD)值高、對生化系統(tǒng)的處理能力產生抑制作用[1?2]，迫切需要開發(fā)新工藝回收廢水中的異丁醇，降低廢水對生化系統(tǒng)的沖擊，實現(xiàn)異丁醇溶劑循環(huán)利用，降低物耗。

回收水中有機溶劑工藝主要有精餾萃取、汽提、吸附、膜分離等。Gai 等[3]以1,4?丁二醇作為萃取劑回收廢水中的異丁醇，得到純度為99.99%(質量)的異丁醇，但存在萃取劑的二次污染問題。滲透汽化是一種新興的膜分離技術，具有高效、經(jīng)濟、安全等優(yōu)點，是當前膜分離領域的熱點之一[4]，主要有優(yōu)先透水膜、優(yōu)先透有機物膜等，分別應用于有機溶劑脫除少量的水或水中少量的有機溶劑的回收[5?6]。優(yōu)先透有機物膜對廢水中低濃度有機物的回收具有明顯技術經(jīng)濟性，其基本原理是依靠有機組分在膜中傳輸速率遠大于水分子，從而能夠實現(xiàn)有機物與水的高效分離，在膜滲透側富集得到高濃度有機物[7]。以聚二甲基硅氧烷(PDMS)為核心材料制備的優(yōu)先透有機物膜，表現(xiàn)出良好疏水性，已經(jīng)大規(guī)模用于回收大氣中揮發(fā)有機化合物（VOCs）組分[8?9]，但在廢水中低濃度有機物回收中尚未有規(guī)?；瘧?，主要研究工作集中在PDMS 改性提高有機溶劑的滲透性能[10?11]以及優(yōu)化操作條件[12]，如水中有機物的濃度、進料液溫度和流速以及多組分對單組分滲透汽化性能的影響，主要的研究體系涉及到醇、酚、酯、腈等有機物與水的分離。Han 等[13]利用ZSM?5 與PDMS 制備混合基質膜分離乙醇/水溶液，最高分離因子為15.8；牟春霞等[14]將SiO2填充改性PDMS 制備SiO2/PDMS 復合膜分離乙酸正丁酯/水溶液，相比純PDMS 膜，其分離因子提高了43%；Wang等[15]用改性PDMS分離丁醇/水溶液時的通量和分離因子比原膜分別上升了154%和56%。Yong 等[12]研究了由南京九思高科技有限公司提供的商業(yè)膜對乙腈與水的分離能力，優(yōu)化了操作參數(shù)，并得出進料液流速會增加乙腈的分離因子，乙腈的最大滲透通量為353 g/(m2·h)，滲透液中乙腈的最高濃度達到47%(質量)。Xue 等[16]研究發(fā)現(xiàn)滲透汽化過程中，溫度上升可促進正丁醇的滲透汽化過程，而Li 等[17]認為溫度升高會降低正丁醇的分離因子。Hu 等[18]研究得出丁醇濃度對滲透汽化過程影響很小，但Jee等[19]發(fā)現(xiàn)隨著正丁醇濃度上升分離因子也隨之上升，這種現(xiàn)象與膜本身的穩(wěn)定性密切相關；Chovau等[20]使用商業(yè)膜分離乙醇水體系，在體系中加入了0.1%(質量)的2,3?丁二醇，發(fā)現(xiàn)乙醇的通量下降，這是由于PDMS 與2,3?丁二醇有更好的相容性，PDMS優(yōu)先吸附2,3?丁二醇，導致乙醇的傳質阻力增加；Liu 等[21]的研究也發(fā)現(xiàn)其他組分與原組分在PDMS復合膜中存在競爭溶解。盡管采用滲透汽化過程回收水中有機物的研究已有較多報道，但很少涉及水中少量異丁醇的分離研究。Grimaldi 等[22]將疏水乙烯基接枝到聚醚砜膜表面，并用于異丁醇/水溶液的分離，其滲透通量和分離因子分別為0.7 L/(m2·h)和10.1。對于優(yōu)先透醇膜，PDMS 膜是目前能夠工業(yè)化生產的膜材料，但尚未工業(yè)應用在水中有機物的分離中，目前還沒有研究報道用于處理乙酸異丁酯生產廢水中異丁醇/水體系分離過程，因此本文以商品化的PDMS 膜為對象，研究異丁醇/水體系的分離性能，將為PDMS 膜工業(yè)化應用提供依據(jù)。

本文以乙酸異丁酯生產廢水中異丁醇的分離回收為應用對象，考察廢水中異丁醇濃度、滲透汽化過程的操作參數(shù)(溫度、流速)以及廢水中乙酸異丁酯等對PDMS復合膜性能的影響，旨在優(yōu)化PDMS復合膜回收異丁醇的操作條件，探討滲透汽化過程處理異丁醇廢水的可行性。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗試劑與材料

實驗所用異丁醇、乙酸異丁酯均為分析純，由國藥集團化學試劑公司提供，所用材料、試劑的物性參數(shù)見表1。

表1 異丁醇、乙酸異丁酯和水的物化性質［23-24］Table 1 Physicochemical properties of isobutanol，isobutyl acetate and water［23-24］

PDMS 復合膜由南京九思高科技有限公司研制和生產，復合膜微觀結構(場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM，日立?4800，日本)和接觸角(JC2000D 型接觸角儀)如圖1。PDMS 層的厚度為10 μm，PDMS 層表面的水接觸角為118.9°。

1.2 滲透汽化膜實驗過程

實驗裝置流程如圖2 所示。該裝置由原料罐、水浴鍋、蠕動泵、膜組件(膜面積為153.86 cm2)、冷阱、真空泵等組成。進料液經(jīng)蠕動泵以一定速率錯流通過膜組件，滲余液返回原料罐，膜滲透側連接真空系統(tǒng)，形成膜上下游的推動力，真空側壓力維持在300 Pa。膜組件和真空泵之間裝有玻璃冷阱，并置于?70℃的制冷機水槽中用于收集滲透液。采用氣相色譜儀進行滲透液組分定量分析。

滲透汽化實驗過程：每次實驗的進料液為1.2 L，每次改變一個操作條件，運行0.5 h 取樣分析，平行進行三次實驗取平均值。操作參數(shù)的調節(jié)范圍為：進料液中異丁醇濃度為1%～3%(質量)，操作溫度為30～60℃，Reynolds 數(shù)為200～1200，進料液中乙酸異丁酯濃度為0～0.5%(質量)。

連續(xù)滲透汽化實驗：取一定濃度異丁醇溶液為進料液，在優(yōu)化的操作條件下進行連續(xù)滲透汽化實驗，滲透液連續(xù)收集，每1 h 取一次樣進料液和滲透液進行氣相色譜分析，直至進料液中異丁醇濃度降低至0.1%(質量)左右，停止實驗。

回收酯化工業(yè)廢水中異丁醇實驗過程：采用3 m2的PDMS 復合膜，在進料液溫度、滲透側壓力和滲透側溫度分別為40～60℃、7 kPa 和?3℃的條件下，處理25 kg 含異丁醇的酯化廢水，測定滲余液質量及其異丁醇的質量濃度，計算異丁醇回收率。

1.3 溶脹實驗

采用稱重法測定PDMS 復合膜的溶脹程度。首先將膜片置于真空干燥箱中60℃烘干；再用精密天平稱重，得到干膜片質量。隨后將干燥后的膜片在室溫條件下，浸泡在不同濃度的異丁醇/水溶液中；經(jīng)過72 h 的浸泡后將膜片取出，用無塵紙迅速擦去膜片表面的液體，用天平稱重；然后再次放入溶液中浸泡3 h，拿出后擦干并再次稱重；如此重復操作數(shù)次，直至質量穩(wěn)定不變。膜片的溶脹程度是由溶脹比S（%）表示，計算公式如式（1）：

圖1 PDMS復合膜的掃描電鏡圖和接觸角Fig.1 SEM and water contact angle of PDMS composite membrane

圖2 實驗裝置流程圖Fig.2 Experimental device diagram

式中，Ws和Wd分別是干燥和浸泡后膜片的質量，g。

1.4 組分濃度測定方法

水中各組分濃度采用氣相色譜外標方法測定。色譜條件為：載氣為氮氣，總流量為33.7 ml/min，吹掃流量為3 ml/min；采用HP?5 毛細管柱和FID 檢測器；進樣口溫度160℃，壓力為100 kPa；柱溫100℃，保持4 min；檢測器溫度180℃；進樣量1.0 μl，分流比為30∶1。

1.5 計算公式

滲透通量J：

式中，Ji是組分i滲透通量，g/(m2·h)；mi是滲透側溶液中組分i 的質量，g；A 是有效膜面積，m2；t 是滲透時間，h。

分離因子α：

式中，x1和x2分別為進料液中異丁醇和水的質量分數(shù)，%(質量)；y1和y2分別是滲透側異丁醇和水的質量分數(shù)，%(質量)。

異丁醇的回收率R：

式中，R 是異丁醇從廢液中的回收率，%；my是原進料液中異丁醇質量，g；mt是t時間后的滲余液中異丁醇質量，g。表觀活化能Ea：由Arrhenius方程關聯(lián)計算

式中，J是滲透通量，kg/(m2·s)；J0是指前因子；Ea是滲透汽化過程各組分的表觀活化能，J/mol；Rg是氣體常數(shù)，J/(mol·K)；T是開爾文溫度，K。

滲透活化能Ep：

式中，Ep是滲透汽化過程各組分的滲透活化能，J/mol；ΔHv是滲透汽化過程各組分的氣化熱，J/mol。

相互作用參數(shù)χ：由Flory?Huggins方程計算

式中，δ1和δ2分別為PDMS 和溶劑的溶解度參數(shù)，(cal/cm3)1/2；Vi是組分i 摩爾體積，cm3/mol。相互作用參數(shù)越小，親和力越強，表明溶劑在PDMS 中的溶解度越高。

雷諾數(shù)Re：

式中，dh是膜組件的當量直徑為1.87 cm；u 是進料液流速，cm/s；ρ 是進料液密度，g/cm3；μ 是進料液黏性系數(shù)，g/(cm·s)。

2 結果與討論

2.1 異丁醇濃度對PDMS復合膜性能的影響

圖3 PDMS復合膜的溶脹度隨異丁醇濃度(a)和浸泡時間(b)的變化Fig.3 Effect of isobutanol concentrations(a)and immerse time(b)on swelling degree of PDMS membrane

2.1.1 對溶脹程度的影響 PDMS 優(yōu)先透有機物膜在溶劑分離回收過程中會發(fā)生溶脹行為，使膜的微結構發(fā)生變化，從而影響膜滲透通量和分離因子[25]。溶脹程度是優(yōu)先透有機物膜性能評價中不可缺少的一個方面。圖3 是異丁醇對PDMS 復合膜溶脹性能的影響。由圖3(a)可見，隨著異丁醇濃度的升高，PDMS 復合膜的溶脹程度先增大后趨穩(wěn)，當異丁醇濃度大于2%(質量)時，膜的溶脹程度在13%～14%之間；由圖3(b)可見，PDMS 復合膜在1.5%(質量)異丁醇/水溶液中的溶脹程度隨時間的變化情況，在前5 h快速增大后趨于穩(wěn)定，75 h的浸泡實驗顯示膜的溶脹程度為10.5%。表明PDMS 復合膜在異丁醇水溶液中具有較好的穩(wěn)定性。

2.1.2 對分離性能的影響 滲透汽化過程由溶解過程和擴散過程共同控制[26]，進料液中溶劑濃度會影響溶劑在膜材料中的溶解度和擴散速度。實驗考察了滲透汽化過程中不同質量濃度異丁醇/水溶液的滲透通量與分離因子，結果見圖4。由圖4(a)可見，隨著異丁醇濃度從0.9%(質量)增加至2.8%(質量)，膜滲透通量從1600 g/(m2·h)增大到2000 g/(m2·h)，異丁醇的滲透通量從200 g/(m2·h)增大到600 g/(m2·h)，水的滲透通量基本維持在1400 g/(m2·h)。這是因為進料液中異丁醇濃度的增加，使異丁醇通過膜的驅動力增大；水的滲透通量呈現(xiàn)基本不變的趨勢，這是由于進料液中水的總體濃度變化很小，水分子在膜中溶解度影響不大，故水分子的傳質動力基本不變；總滲透通量的增加主要是因為異丁醇滲透通量的增加所致。異丁醇濃度增大，使膜通量增大，但異丁醇與水的分離因子基本保持在15，滲透通量和分離因子均高于Grimaldi 等[22]采用改性聚醚砜分離異丁醇與水的研究結果，這表明PDMS 膜對異丁醇/水體系有著較好的分離效果。圖4(b)可見，隨著進料液中異丁醇濃度增大，滲透側異丁醇的濃度也隨之增大，從12.34%(質量)上升至29.24%(質量)。異丁醇濃度對滲透性能的影響規(guī)律與文獻報道的結論趨勢相吻合[27?28]，異丁醇濃度對分離因子影響不大，這將有利于滲透汽化膜處理異丁醇廢水的實際應用。

圖4 進料液異丁醇濃度對通量、分離因子(a)和滲透液異丁醇濃度(b)的影響Fig.4 Effect of isobutanol feed concentration on flux,separation factor(a)and isobutanol concentration(b)in permeate

2.2 操作條件對PDMS復合膜分離性能的影響

2.2.1 進料液溫度的影響 溫度在滲透汽化過程中扮演了一個重要的角色，不僅影響溶解的熱力學過程，還影響組分在膜中擴散的動力學過程，因此在異丁醇濃度為1.8%(質量)、Reynolds 數(shù)為488的條件下，考察了進料液溫度對PDMS 復合膜分離性能的影響，結果見圖5。從圖5 可見，隨著進料液溫度的上升，滲透通量增大，分離因子下降，滲透側異丁醇的濃度也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。Li等[29]使用功能層為PDMS 的新型三層復合膜分離正丁醇和水，當溫度超過35 ℃，其分離因子也隨著溫度上升而下降。這是由于溫度上升，傳質的推動力上升，聚合物鏈發(fā)生遷移，使水分子、異丁醇的傳質速率增大，故滲透通量均得到提升；由于水分子的分子動力學直徑比異丁醇小，使得水分子更容易通過優(yōu)先透有機物膜，最終導致滲透側異丁醇濃度下降，異丁醇與水的分離因子減小。圖5(a)中隨著進料液溫度的上升，滲余側和滲透側的異丁醇濃度下降，滲透側上層液異丁醇質量增大，表明異丁醇透過膜的速率提高了，意味著提升進料液溫度可以加快對酯化廢水的處理速率。圖5(b)中，隨著進料液溫度的升高，水的滲透通量上升幅度比異丁醇通量上升的幅度大。這是因為滲透汽化過程是由溶解和擴散共同控制，溫度升高使分子的熱運動增強，水團簇的狀態(tài)削弱，水分子在PDMS 層擴散速度大于異丁醇。盡管PDMS 層優(yōu)先溶解異丁醇，但是水通量的上升速度比異丁醇快，由此可推斷以溫度上升使水分子的擴散過程大于異丁醇的溶解過程。

對圖5(b)中的數(shù)據(jù)用Arrhenius關系式進行擬合如圖6，得到的方程如式（9）～式（11）：

滲透汽化中組分的活化能由圖6中擬合函數(shù)的斜率計算獲得，總表觀活化能為33.87 kJ/mol，水和異丁醇的表觀活化能分別為34.67 kJ/mol 和30.87 kJ/mol。表觀活化能來自吸附熱和擴散能，同時水和異丁醇的氣化熱[30]分別為40.62 kJ/mol和42.56 kJ/mol，因此通過式(5)可以得到水和異丁醇的滲透活化能分別為?5.95 kJ/mol 和?11.69 kJ/mol，當滲透活化能為負值則表示分離過程中溶解過程占優(yōu)勢[31]，而水分子比異丁醇分子小，擴散速率更快。因此隨著溫度的上升，水通量的上升速率比異丁醇的通量上升速率大。異丁醇和水的表觀活化能的差異可能來自：異丁醇分子和水分子之間的體積差異[12]以及異丁醇分子和水分子與PDMS 溶解度參數(shù)之間的差異[32]。根據(jù)Eyring擴散理論[33]，溫度的增加使得滲透分子更有活力并且更容易進行擴散遷移。同時，聚合物鏈運動的幅度和頻率隨溫度的增加而增加，進而導致優(yōu)先透有機物膜中自由體積的增加為分子擴散提供了更多的空間。因此溶液中的分子因聚合物鏈的隨機熱運動產生自由體積，增強了滲透。對于分離水中異丁醇的滲透汽化過程，進料液溫度為40℃較為合適，可保持高滲透通量和異丁醇與水的分離因子。

圖5 進料液溫度對滲透液、滲余液的異丁醇濃度(a)和通量、分離因子(b)的影響Fig.5 Effect of feed temperature on isobutanol concentration in permeate and retentate (a),flux and separation factor(b)

圖6 Arrhenius關系式擬合溫度與對數(shù)通量的關系Fig.6 Fits reciprocal of the temperature and logarithm of the flux by Arrhenius formula

2.2.2 進料液流速的影響 由于滲透汽化傳質過程中，組分的滲透會在滲余側膜表面形成一層水膜邊界層，引起濃差極化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會降低溶劑的滲透速率，增加水的滲透速率[12]，導致分離因子降低。進料液流速是影響濃差極化水膜邊界層的重要因素，因此在進料液溫度和異丁醇濃度分別為40℃和1.8%(質量)的條件下，考察了Reynolds 數(shù)對PDMS復合膜滲透性能的影響，結果如圖7所示。由圖7 可見，隨著Reynolds 數(shù)的增加，異丁醇的通量上升而水通量基本不變。這是因為Reynolds 數(shù)的增大，使得流體在膜表面的擾動增強，從而降低了濃差極化現(xiàn)象[34]；同時由于對流速度的增加，使得傳熱系數(shù)增大，導致溫差極化對傳質的阻礙能力也下降。研究表明流速增加可以同時提高滲透通量和分離因子，但由于流速增大，能耗也增大，故綜合比較Reynolds 數(shù)為1000 最佳，此時的總通量和分離因子分別為2.05 kg/(m2·h)和19。

圖7 Reynolds數(shù)對PDMS復合膜分離性能的影響Fig.7 Effect of Re on PDMS composite membrane performances

2.3 乙酸異丁酯對PDMS復合膜分離性能的影響

滲透汽化過程多種有機物的協(xié)同作用會影響組分的單獨滲透性能[35?37]。由于乙酸異丁酯生產過程產生的廢水中會殘留微量的乙酸異丁酯，故需考察該殘留物會對PDMS 復合膜回收異丁醇產生一定的影響。在進料液溫度、濃度和Reynolds 數(shù)分別為40℃、1.8%(質量)和488 的條件下，實驗測定了不同濃度乙酸異丁酯對滲透汽化過程的影響，結果如圖8所示。

從圖8 中可以看出，水的滲透通量基本不隨乙酸異丁酯濃度變化而變化,這與文獻[27]趨勢相同。乙酸異丁酯對異丁醇滲透通量的影響存在拐點，當乙酸異丁酯濃度在0～0.14%(質量)區(qū)間內，異丁醇通量呈上升趨勢；當乙酸異丁酯濃度在0.14%～0.48%(質量)區(qū)間內，異丁醇通量有所減小，與無乙酸異丁酯的時通量相當。根據(jù)溶解度參數(shù)[32]并通過式(7)計算可以得到：χ異丁醇=0.4307, χ乙酸異丁酯=0.0506，χ異丁醇遠大于χ乙酸異丁酯。乙酸異丁酯對PDMS 的溶脹作用，隨著乙酸異丁酯濃度增加，PDMS 膜溶脹增強，由于異丁醇分子比乙酸異丁酯分子小，擴散速度快，使得異丁醇的滲透通量增大；乙酸異丁酯的傳質過程由優(yōu)先溶解和擴散共同控制，乙酸異丁酯的滲透通量隨濃度增大。當乙酸異丁酯濃度增加超過0.14%(質量)后，對異丁醇的促進作用減小，使異丁醇滲透回到單有機物分離狀態(tài)。由圖8 可見，廢水中微量乙酸異丁酯有利于促進異丁醇分離回收。

圖8 乙酸異丁酯濃度對PDMS復合膜分離性能的影響Fig.8 Effect of isobutyl acetate concentration on PDMS composite membrane performances

2.4 異丁醇濃度對PDMS復合膜回收率的影響

圖9 進料液異丁醇濃度對滲余液異丁醇濃度、滲透液異丁醇質量(a)和平均通量、回收率(b)的影響Fig.9 Effect of isobutanol feed concentrations on isobutanol concentration in retentate and isobutanol quality in permeate (a)and average flux and recovery rate(b)

乙酸異丁酯生產廢水中異丁醇濃度控制到0.1%(質量)左右，即可進入生化系統(tǒng)處理后，滿足達標排放的要求。實驗考察了0.77%、1.78%、2.6%(質量)三種濃度異丁醇廢水的連續(xù)滲透汽化過程，結果如圖9 所示。由圖9 可見，隨著處理時間的增加，進料液中異丁醇濃度迅速下降，最終降至0.1%(質量)以下。進料中異丁醇濃度越大，降到0.1%(質量)左右所需的時間越長，分別需要360、540、630 min，對應的回收率分別為94.0%、94.9%、97.7%，平均滲透通量為1324 、1331、1313 g/(m2·h)，從平均通量可以看出，滲透汽化膜處理過程對酯化廢水有著較穩(wěn)定的處理效果。

2.5 滲透汽化過程處理酯化工業(yè)廢水

采用PDMS 復合膜滲透汽化過程處理含異丁醇的酯化工業(yè)廢水，每批次運行180 min，處理量為25 kg，進料液溫度為45℃左右，6批次處理結果見表2。由表2 可見，實際生產過程中酯化廢水的異丁醇濃度在8%(質量)左右，隨著進料液中異丁醇濃度的增大，異丁醇滲透通量增大，但真實廢水的膜滲透通量明顯低于模擬體系，這是由于真實廢水滲透側的真空度為7000 Pa，模擬體系滲透側的真空度300 Pa，真實廢水滲透汽化的推動力小，導致滲透通量低。滲透汽化過程能夠將廢水中的異丁醇濃度降至0.1%(質量)左右，異丁醇的回收率大于98%。實驗過程中，滲透側液體出現(xiàn)分層現(xiàn)象，上層液體中異丁醇濃度約為82%(質量)；下層液中異丁醇濃度約為8.5%(質量)。滲透液上層液質量與下層液質量之比大約為1∶1.5～1∶2，下層液可返回滲透汽化系統(tǒng)進行分離回收以降低滲透液的總質量。

圖10 給出的是進料液中異丁醇濃度隨滲透汽化時間的變化。圖10(a)是不同批次廢水的處理結果，滲透汽化前60 min 廢液中異丁醇濃度迅速下降，這是由于異丁醇濃度高，推動力大，異丁醇快速通過膜，使得進料側(滲余液)中的異丁醇濃度快速下降；圖10(b)是溫度對進料液中異丁醇濃度的影響，隨著進料液溫度的上升，滲余液中異丁醇濃度快速下降，達到0.1%(質量)所需的時間減少。這是由于溫度升高加大了異丁醇在功能層的溶解數(shù)量，推動異丁醇透過膜的速率，從而縮短了處理時間。綜上可以得出，PDMS 復合膜適合處理含異丁醇酯化工業(yè)廢水，使其滿足后續(xù)生化處理的要求。

3 結 論

(1)采用PDMS 復合膜處理乙酸異丁酯廢水時，隨著廢水中異丁醇濃度增加，異丁醇通量增加，水通量與分離因子基本不變(保持在15 左右)；溫度升高有利于廢水中異丁醇和水的滲透，但滲透液中異丁醇的濃度和分離因子均呈現(xiàn)下降的趨勢，總表觀活化能為33.87 kJ/mol，水和異丁醇的表觀活化能分別為34.67 kJ/mol 和30.87 kJ/mol；進料液流速增加，分離因子和通量都呈先增大后趨穩(wěn)。

表2 滲透汽化過程處理含異丁醇的酯化工業(yè)廢水Table 2 Treatment of esterified industrial wastewater containing isobutanol by pervaporation

圖10 不同批次(a)和不同溫度進料液(b)的滲余液中異丁醇濃度隨時間變化Fig.10 Change of isobutanol concentration in the retentate with time different batches (a)and different feed temperatures(b)

(2)進料液溫度40℃、Reynolds 數(shù)1000、真空度為300 Pa 的操作條件下，PDMS 膜對濃度為1.8%(質量)異丁醇廢水處理的滲透通量可達2.05 kg/(m2·h)，分離因子19；對濃度0.77%～2.6%(質量)異丁醇的回收率為94.0%～97.7%。滲透汽化膜過程可將酯化工業(yè)廢水中異丁醇濃度降至0.1%(質量)左右，滿足生化處理要求。

(3)廢水中微量乙酸異丁酯對異丁醇與水的分離有促進作用，可為實際應用提供一種強化分離的手段；采用滲透汽化法處理酯化廢水回收異丁醇，為乙酸異丁酯的綠色生產提供了新的思路，具有較好的應用前景。

符 號 說 明

A——分離膜的有效膜面積，m2

dh——平板膜組件的當量直徑，cm

Ea,Ep——分別為表觀活化能和滲透活化能，J/mol

ΔHv——氣化熱，J/mol

J——滲透通量，kg/(m2·s)

Ji——組分i的滲透通量，g/(m2·h)

J0——指前因子

mi,mt,my——分別為組分i 的質量，t 時間后滲余液中異丁醇質量，進料液中異丁醇質量，g

R——異丁醇的回收率，%

Rg——氣體常數(shù)，J/(mol·K)

S——溶脹度，%

T——溫度，K

t——時間，h

u——進料液流速，cm/s

Vi——組分i的摩爾體積，cm3/mol

Ws,Wd——分別是干燥和浸泡后膜片的質量，g

x1,x2——分別為進料液中異丁醇和水的質量分數(shù)，%(質量)

y1,y2——分別為滲透側異丁醇和水的質量分數(shù)，%(質量)

α——分離因子

δ1,δ2——分別是PDMS 和溶劑的溶解度參數(shù)，(cal/cm?3)1/2

μ——進料液的黏性系數(shù)，g/(cm·s)

ρ——進料液密度，g/cm3

χ——相互作用參數(shù)

下角標

i——組分