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摘 要

近年来，随着石油资源的短缺，石油价格的昂贵以及人类对环境问题重视程度的提高，新型生物能源越来越受到人们的关注，这给微生物发酵技术生产燃料醇类带来了新的发展机遇。但是发酵液产物复杂，发酵过程中产物抑制作用十分严重，极大降低了发酵效率。将渗透汽化引入发酵过程中，采用透醇膜不断地移出发酵产物将十分有利于发酵过程的进行。

本文采用实验室自制的聚二甲基硅氧烷（PDMS）/聚四氟乙烯（PTFE）复合膜，将其应用于模拟醇类发酵液体系的分离。首先考察了膜表面亲疏水性对膜分离性能的影响，结果表明膜表面性质严重影响膜的分离性能。疏水性好的膜表面接触料液，在313 K分离5 wt%的乙醇水溶液时，分离因子较高，可达9.28，通量为1.17 kg/（m²·h）。相反，如果亲水膜面接触料液，分离因子和通量分别为4.18，3.75 kg/（m²·h）。采用疏水表面的渗透汽化膜，考察了操作温度，进料液浓度，膜下游侧压力等条件对复合膜渗透汽化性能的影响。结果表明随着进料液温度的升高，通量升高，分离因子先上升后下降。当温度为323 K时，分离因子达到最高，为9.37，通量为3.26 kg/(m²·h)。膜下游侧压力越小，通量越大，分离因子越高。进料液浓度越高，总通量越高，分离因子降低。

关键词：渗透汽化；乙醇；亲疏水性；通量；分离因子

Effects of membrane surface properties on the pervaporation of ethanol from an aqueous solution

Abstract

Recently, due to the shortage of the petroleum resource, the expensive petroleum price and people^’s great attention on the environment, developing new-type biological energy source is becoming more and more attractive, which would bring a new opportunity for the development of microorganism fermentation. But the complicated components of fermentation broth and the severe inhibition of products make the productivity very low. When the fermentation process is coupled with pervaporation, the product can be removed by ethanol-permselective membranes, which reduce the inhibition of the product Thus, the efficiency of the fermentation process can be improved significantly.

In this work, the effects of operating conditions on the pervaporation performance of the polydimethylsiloxane(PDMS)/polytetrafluoroethylene(PTFE) composite membrane for the separation of model alcohol fermentation system were investigated. The hydrophobic/hydrophilic property of the membrane surface were first conducted. Results indicated that surface properties influenced the membrane performance significantly. If the feed solution contacts with hydrophobic membrane surface. The separation factor was higher, reaching up to 9.28 in the pervaporation of 5 wt% ethanol aqueous solution at 313 K, and the flux were 1.17 kg/（m²·h）. On the contrary, when the hydrophilic membrane surface is contacted with the feed solution, the separation factor and the flux were 3.64, 2.084 kg/（m²·h）,respectively. With the employment of a membrane with the hydrophobic surface, the effects of the feed temperature, feed concentration, membrane permeate pressure were studied . It was found that total flux increased with the increase of feed temperature and a maximal separation factor was obtained at 323 K, which was as high as 9.37 and the flux was 3.26 kg/(m²·h). In addition, the lower the permeate pressure was, the higher the flux was, and the higher the separation factor was. As the feed concentration increased, the flux increased and the separation factor decreased .

Key words：Pervaporation；Ethanol；Hydrophilic/Hydrophobic property；Flux；Separation factor

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1研究背景 1

1.1.1 发展燃料乙醇的意义 1

1.1.2 乙醇发酵工艺 1

1.2 渗透汽化概述 2

1.2.1渗透汽化膜 2

1.2.2 渗透汽化传质机理 2

1.2.2.1 溶解扩散模型 2

1.2.2.2 孔流模型 3

1.2.3渗透汽化特点 4

1.2.4渗透汽化膜选择 4

1.3 渗透汽化技术在醇类生产过程中的应用 6

1.3.1 渗透汽化透水膜 6

1.3.2 渗透汽化透醇膜 6

1.4 渗透汽化技术应用于制备燃料乙醇的意义 8

1.5 本课题研究目的和主要内容 9

第二章 实验部分 10

2.1 实验试剂及仪器 10

2.2 渗透汽化性能评价参数 10

2.3 实验装置及分析测试方法 11

第三章 结果与讨论 13

3.1 亲疏水性对PDMS复合膜分离性能的影响 13

3.2操作温度对PDMS复合膜分离性能的影响 14

3.2.1 操作温度对单组分透过PDMS膜分离性能的影响 15

3.2.2操作温度对PDMS复合膜分离性能的影响 15

3.3 膜后真空度对PDMS复合膜分离性能的影响 17

3.4浓度对PDMS复合膜分离性能的影响 17

第四章 结论与展望 19

4.1 结论 19

4.2 展望 19

参考文献 21

致 谢 24

第一章 文献综述

1.1研究背景

1.1.1 发展燃料乙醇的意义

能源和环境是当今世界面临的两大重要问题。能源危机，环境污染，使人类开始关注世界的能源问题和发展新型清洁能源技术来保护环境。加之，近年石油资源的急剧短缺和随之而来价格的迅速增长及全球经济发展对石油需求量的增加。减少化石燃料应用，研发推广新型可再生能源作为替代品成为当务之急。而可再生能源除太阳能、风能等间歇性能源外，发展最迅速和最主要的就是利用生物质能体系发酵生产生物乙醇^[1]。生物发酵作为能源获得途径得到极大关注的原因有很多，其中最主要的是：生物质能是可持续的能源，并且生物能源可以减缓温室气体如二氧化碳的排放。因此，生物乙醇是可再生能源的重要代表之一。19世纪80年代以来，脱水浓缩乙醇已经发展形成系统商业模式，绝大部分来自乙醇作为替代燃料的利益价值^[2]。

1.1.2 乙醇发酵工艺

生物发酵法制取无水乙醇的传统工艺的主要步骤：首先原料经预处理和糖化后，在发酵罐内利用微生物催化剂转化为低浓度乙醇；其次，采用蒸馏法将低浓度乙醇浓缩为约 94 wt%的乙醇；最后，采用共沸精馏将约 94 wt%的乙醇制成99.5 wt%以上的无水乙醇^[3]。发酵工艺后的两级精馏，造成分离提纯的生产周期长、能耗大，特别是当乙醇含量较低时，采用精馏操作能耗极大。因此低浓度乙醇以较低能耗浓缩到较高浓度是目前研究的热点。另外，提高发酵过程乙醇生产率的最主要途径就是连续不断地从发酵罐中分离出乙醇产物，减小高浓度乙醇对发酵生物的呼吸抑制作用^[1]。

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