背景

随着航空航天、新能源、医药化工、石油化工等领域的不断发展，对液体有机溶剂的品质要求也越来越高，尤其是水的深度脱除。在液体有机溶剂众多的杂质中，水是属于比较特别的一类，它具有独特的物理化学性质，容易同一些有机溶剂分子产生氢键，所以水是杂质中最难脱除的。工业上微量水的存在对有机溶剂应用、催化裂化、有机合成反应、化学组分分离及检测体系有着很大的影响。因此，必须对所使用的液体有机物进行深度脱水将水含量降低至对于使用目的没有任何危害和影响的限度。

许多分子间脱水、分子内脱水的反应，如酯化、中和、缩合、聚合、缩醛等反应，在精细化工、石油化工、医药等领域有着广泛而重要的用途，这类反应中会生成水分子，生成水的存在限制了反应的进度，或可能引起复杂的副反应，从而降低了反应的收率。为提高化学反应的进程，常用有机溶剂带水的方法移除反应过程生成的水，而使用的有机溶剂含水量均要求控制在较低的浓度，给有机溶剂的除水过程带来较高的要求

以异丙醇为例，异丙醇是重要的化工产品和原料，也是被广泛应用的有机溶剂。异丙醇作为良好的清油洗洁剂，在化工、半导体行业有着广泛的应用。目前用于深度脱水的技术主要有特殊精馏法、分子筛法、气提法等，然而这些技术都各有其缺点，如特殊精馏法能耗较高、脱水深度低，并且精馏过程添加剂的使用易造成环保问题。因此，需要开发出一种低能耗、环保、高效耐用的深度脱水工艺来满足市场的需求。渗透汽化作为一种新型膜分离技术，以其高效节能、环保、过程简单等优点，在有机溶剂脱水领域应用越来越广。基于渗透汽化技术的诸多优点，本项目提出将渗透汽化技术应用于溶剂的深度脱水过程。

渗透汽化技术简介

1910年Kober在观察到水从胶棉和羊皮纸膜选择透过后，他把“evaporation”和“permeation”的这两个单词缩写定义为“pervaporation”^[1]，渗透汽化自此开始。据报道，1983年在巴西，第一个渗透汽化的工业化装置被用于乙醇脱水^[2]。此后，在世界范围内，渗透汽化被广泛应用，装置高达100多套，主要用于有机溶剂脱水^[3]。

渗透汽化脱水原理

渗透汽化膜分离过程的机理研究有较长的历史，目前研究较多且相对较为成熟的传质模型有：溶解-扩散模型、虚拟相变模型、孔流模型等。其中，溶解-扩散模型应用较为普遍，得到了研究者更多的认可，通常被用来解释渗透汽化分离过程的传质机理。溶解-扩散模型描述渗透汽化过程的传质主要被分为3个步骤：

第1步：待分离物质中与渗透汽化膜致密活性层膜材料亲和性较强的分子优先在膜表面吸附；

第2步：待分离物质在化学势差的传质推动力下以扩散的形式从料液侧向渗透侧透过膜；

第3步：在渗透侧物质以气相形式脱附。

其中，在较高的真空度下，第3步脱附速率较快，不会影响整个过程的传质。具体过程如图2-1所示。

图1溶解-扩散过程

优先透水膜材料

有机高分子膜材料

有机高分子膜材料包含聚乙烯醇（PVA)、壳聚糖（CS）、聚丙烯酸（PAA）等，这些聚合物制备的高分子膜由于其具有较高的渗透通量和分离因子而成为聚合物膜常用的膜材料。

（1）聚乙烯醇

聚乙烯醇是含有大量羟基的聚合物，是一种重要的亲水性高分子聚合物。同时聚乙烯醇因其固有的亲水性，使得其适用于优先透水膜材料。另外，PVA也有较好的耐溶剂性、易成膜及易交联等特点。

（2）壳聚糖

壳聚糖是含有大量羟基和氨基的聚合物，和聚乙烯醇一样，它也是一种重要的亲水性的高分子聚合物。同时，壳聚糖也因为其有较强的亲水性，而将其用于优先透水膜材料。

无机膜材料

无机膜材料主要有二氧化硅、氧化铝或沸石，无机膜材料具有较高的化学稳定性和热稳定性，因而相比于聚合物膜材料具有更大的优势。因此，由无机材料制备而成的无机膜可以在更高的温度和聚合物膜无法处理的溶剂条件下使用。它们可以提供良好的机械性能和热稳定性，并且不会像聚合物膜发生溶胀现象，因此在改变不同的进料浓度下具有更加稳定的性能。它们可以在更高的温度下进行操作达到较高的通量，这样就大大降低了所使用的膜面积。