膜接触器中的疏水微孔膜浸润动力学

The membrane contactor absorption is considered an effective way to capture the carbon dioxide generated from industry production. However, the microporous hydrophobic membrane suffers from membrane wetting during its contacting with absorbent, causing great decline of mass transfer. This project will, firstly, attempt to build the theoretical equations for the wetting of microporous membrane to investigate the kinetics of wetting process (the adsorption and surface diffusion of organic components on membrane surface and pore wall) and the dynamic imbibition of liquid into membrane pores. This will permit to set up the equations describing the imbibition depth and the time-dependence of mass transfer coefficient. Then, through direct observation, the amount and depth of liquid imbibition is to be directly measured in “dip-in” experiment, using various kinds of hydrophobic membranes and absorbents as samples. The results of these experiments will be used to modify the above mentioned kinetics equations of membrane wetting and mass transfer coefficient. Finally, the obtained membrane wetting kinetic equation will be incorporated with experiments to investigate the dynamic performance of carbon dioxide absorption in membrane contactor.. This project aims at the kinetics of membrane wetting, which is unknown in the field of membrane science and technology, and tries to reveal the fundamental relationship of membrane wetting with mass transfer performance of membrane contactor. The expected achievements will provide important guidance and theoretical support for the design and operation of membrane contactor, as well as for the preparation and regeneration of highly anti-wetting hydrophobic membrane.

膜接触器吸收技术可有效解决二氧化碳捕集问题，但使用中疏水微孔膜易被吸收剂浸润，使传质速率大大降低。本申请拟首先建立描述吸收剂溶质在膜表面和孔内吸附、扩散过程的相关理论方程，并通过对方程解的分析探索膜浸润过程的内在机理和本质规律；在此基础上，建立描述浸润深度和传质系数随时间变化规律的膜浸润动力学方程；然后，通过实验直接观测（摒弃“以传质实验结果推测膜浸润规律的传统做法）几类吸收剂对几种疏水膜的浸润量和浸润深度随时间的变化规律，并以此验证和修正膜浸润动力学方程；最后，利用考虑膜浸润动力学的膜接触器模型，并结合传质实验，研究膜接触器的动态特性。. 本申请拟研究尚未被人们认识和掌握的疏水微孔膜浸润动力学，以揭示膜浸润动力学与膜接触器传质动态特性的内在联系为最终目标。研究结果可为膜接触器的科学设计、合理操作提供理论支持，也可为制备高度耐浸润膜及开发已浸润膜的再生技术提供思路。

膜接触器吸收技术可有效解决二氧化碳捕集问题，但使用中疏水微孔膜易被吸收剂浸润，使传质速率大大降低。该领域的研究者通常以传质系数实验测定结果推测膜浸润的程度和变化规律，缺少对膜浸润过程基础理论问题的研究，如浸润的动力学规律和膜接触器的动态特性。项目组针对该领域存在的问题开展了一系列研究工作，包括.①疏水微孔膜自发浸润的理论分析：利用爬流理论和吸附平衡理论分析膜浸润过程，从理论上认识其基本规律。.②膜浸润量的实验测量：分别采用直接称重法和阻抗谱分析法对多种膜材料在多种操作条件下进行实验，获得膜浸润量的实时变化数据。.③膜自发浸润动力学研究：依据对浸润过程的理论分析和实验结果，建立膜浸润动力学方程，定性、定量地预计膜浸润的发展进程和规律。.④膜接触器的动态特性研究：通过膜接触器吸收二氧化碳的传质实验，获得其因膜浸润而导致的传质性能的动态变化规律。. 通过以上研究工作取得的主要研究结果如下：. （1）认识了膜自发浸润的发生、发展的过程及其规律。膜浸润发生于液体中溶质膜孔道内壁上的吸附、发展于溶质在孔道壁面上的表面扩散，其基本规律是先快后慢。抑制膜浸润要从抑制吸收中的溶质在膜材料上的吸附入手。. （2）建立了膜浸润动力学方程，能够较准确地预测膜浸润分数与时间的变化规律。. （3）建立了考虑膜浸润的中空纤维膜接触器数学模型，能够较准确地预测膜接触器的动态特性. （4）成功地开发出了研究膜浸润的膜阻抗谱分析法，能实时地测定平板膜和中空纤维膜在浸润过程中的阻抗谱，实现了通过分析浸润膜的阻值变化评估膜浸润的程度、认识膜浸润的基本规律。. 以上成果能够提升人们对膜浸润过程与规律的基本认识，为抑制膜浸润技术的开发和膜接触器的优化设计提高理论指导。