膜吸收过程的传质通道是由膜材料中的微孔提供的,如果膜材料不稳定或操作不规范导致微孔进水,传质性能将完全丧失。因此,膜吸收过程的稳定性完全取决于膜材料的稳定性和操作的稳定性,合理选择膜材料至关重要。常用的膜材料是疏水性微孔聚合物膜,包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)。在这些疏水性材料中,聚乙烯、聚丙烯和聚偏二氟乙烯是用途较广的聚合物,价格低廉,具有良好的化学稳定性和热稳定性。
然而,在学者们的研究和工业应用过程中发现,PVDF、PP 和 PE 材料在与吸收剂长期接触后,一般都会发生降解,膜结构也会发生变化[1],传质性能处处显著下降。关于膜材料与吸收剂相容性的研究也有报道和分析。例如,胺类水溶液(如 MEA 乙醇胺)是工业中常用的吸收剂,但作为常用的膜材料 PE、PP 或 PVDF,研究发现当这些材料与醇胺溶液长期接触时,会发生不可逆的降解[2]。胺溶液与膜材料之间的化学反应会导致膜材料的特性发生变化,如:膜孔结构、界面特性(使膜更容易被润湿)、气体渗透性或气液传质效率,从而导致传质性能下降。
由于 PP 和 PVDF 材料很容易制备成具有合适孔隙率和孔径的中空纤维膜,因此在膜吸收的科学研究中,这些材料仍然比较常用。然而,在考虑将这些膜材料应用于工业规模时,仍然面临着巨大的挑战。
在工业应用中,比较可行的方法是使用全氟聚合物,如 "塑料之王 "聚四氟乙烯(PTFE),它是一种化学性质极其稳定、机械强度极高且疏水性极强的膜材料。然而,PTFE膜材料无法采用传统的相变法制备多孔膜,而且PTFE中空纤维膜的孔径和孔隙率较难调控,因此目前国内只有少数几家能制备出性能稳定、孔径均匀的PTFE中空纤维膜(如大连化物所)。
参考资料
【1】R.Wang, D.F. Li, C. Zhou, M. Liu, D.T. Liang, Impact of DEA solutions with and without CO2 loading on porous polypropylene membranes intended to use as contactors, Journal of Membrane Science[J], 229 (2004) 147-157.
【2】D.Demontigny, P. Tontiwachwuthikul, A. Chakma, Using polypropylene and polytetrafluoroethylene membranes in a membrane contactor for CO2 absorption, Journal of Membrane Science[J], 277 (2006) 99-107.