NaA分子筛膜的渗透汽化应用及其污染与再生研究

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NaA分子筛膜具有优异的有机溶剂脱水性能,极高的机械强度和化学稳定性,成为极具应用前景的一类新型渗透汽化膜。自日本三井造船株式会社首次实现NaA分子筛膜的商品化(1999年),NaA分子筛膜的合成技术经历了快速发展,世界范围内已有若干家公司能够提供商业化的NaA分子筛膜。目前,NaA分子筛膜主要用于乙醇、异丙醇等醇/水的蒸汽渗透分离过程,进一步拓广和深化NaA分子筛膜的应用范围已经成为相关领域的研究热点。本硕士论文探索了NaA分子筛膜的两个潜在工业应用,即锂电行业的废N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶液的的精制回用和制药行业的含丙酮酸钠的废乙醇母液的处理回收,并研究了NaA分子筛膜在上述使用过程中的污染和再生。一、利用规模化制备的NaA分子筛膜,采用渗透汽化分离路线,对锂离子电池制造过程中产生的废N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶液进行了脱水精制回用的系统性考察。首先,采用改进的“原位老化-微波加热”技术,在商业化陶瓷载体上成功地规模化制备了NaA分子筛膜。其次,系统考察了NaA分子筛膜用于NMP脱水的渗透汽化性能,获得了进料温度、组成、进料流速和膜下游压力对渗透汽化脱水性能的影响规律。第三,首次考察了NaA分子筛膜在NMP废液中长时间运行的膜污染行为。结果表明,NMP的氧化产物在沸石分子筛膜表面的聚合覆盖是造成NaA分子筛膜污染的主要原因。继而的NaA分子筛膜再生实验表明,归一化通量(即污染膜通量与新鲜膜通量之比)大于0.5的污染膜在化学清洗后可以完全恢复性能。最终,在中航锂电(洛阳)公司的锂电生产线现场,成功完成了NaA分子筛膜用于NMP回收液的现场中试实验(有效膜面积7.3㎡)。精制回收产品的所有技术指标(NMP≥99.9%,H2O≤105ppm,色度10Hz,折射率1.4694)均完全满足动力锂电行业电子级NMP的要求。二、开发了渗透汽化耦合冷却结晶的工艺路线(Pervaporation-Crystallization process,PCP),利用NaA分子筛膜从丙酮酸钠生产过程的离心母液中同时回收乙醇和残余的丙酮酸钠。首先考察了NaA分子筛膜对于乙醇/水/丙酮酸钠三元体系的渗透汽化脱水性能。在整个测试期间,渗透液水含量始终维持在100%,表明NaA分子筛膜具有优异的分离性能。此外,实验发现由于丙酮酸钠盐在膜表面的吸附沉积,NaA分子筛膜在高丙酮酸钠含量(2 wt.%)的溶液中长时间运行会出现膜污染的现象,渗透通量下降30%左右。通过简单的去离子水清洗即可实现NaA分子筛膜的完全再生。最终,在上海津力生物制药有限公司现场,完成了NaA分子筛膜用于PCP回收乙醇和丙酮酸钠的中试实验。结果表明,PCP工艺能够实现在较低的操作温度下同时回收乙醇溶媒和高附加值的丙酮酸钠产品。综上,本论文探索了NaA分子筛膜在锂电行业的NMP废液精制回用和制药/精细化工行业的离心母液中的溶媒和产品同时回收的分离应用等过程的技术可行性,拓展了NaA分子筛膜的工业化应用。
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