纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)燃料乙醇中高濃度纖維素糖化液納濾膜分離研究.pdf

1、隨著能源的枯竭,新能源的開發(fā)已成為社會熱點。其中纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)燃料乙醇因為其原材料豐富和持續(xù)可再生而倍受重視。但其經(jīng)濟性特別是能耗問題是該過程工業(yè)化的關(guān)鍵。酶水解法纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)燃料乙醇是已實現(xiàn)工業(yè)化的技術(shù)路線之一,由酶水解法的特性所決定,其中各轉(zhuǎn)化單元都在水溶液中進行,因此實現(xiàn)低能耗濃縮糖化液對酶水解法纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)燃料乙醇的經(jīng)濟性意義重大,而膜分離是最為合適的工藝之一。本文圍繞膜分離方法濃縮糖化液過程,利用商業(yè)卷式

2、納濾膜組件研究了高濃度糖溶液納濾分離過程,并進行模型構(gòu)建和理論分析,為提高酶水解法纖維素生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)燃料乙醇的經(jīng)濟性提供技術(shù)支持,為高濃度溶質(zhì)水溶液膜分離效率的預測以及膜分離過程的優(yōu)化提供指導。
　　 本論文工作首先以質(zhì)量分數(shù)為0.11～0.98 mol/L的葡萄糖溶液為模型溶液,探索了高濃度葡萄糖溶液納濾分離工藝。研究了操作壓力、操作溫度以及料液濃度三個主要操作條件對納濾分離效率的影響。研究結(jié)果表明在較低濃度下,滲透通量受操

3、作壓力影響較大,截留率受操作壓力影響較小;而在較高濃度下,結(jié)果剛好相反。隨著溫度的升高,壓力增大可以加快滲透通量的增加速率,可以降低截留率的下降速率;濃度增大將降低滲透通量的增加速率,同時將加快截留率的降低速率。
　　 第二,在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上具體分析了料液濃度對滲透通量的影響,并對電中性溶液的納濾分離過程進行建模和模擬分析。研究結(jié)果表明,在較高的料液濃度下,溶劑的滲透通量與外加壓力并不是傳統(tǒng)的線性關(guān)系,根據(jù)大量數(shù)據(jù)擬合,可

4、得到溶劑的滲透通量與外加壓力呈冪函數(shù)關(guān)系。從而建立了高濃度電中性溶液納濾分離過程中料液濃度對滲透通量影響的經(jīng)驗方程,以此可以預測一定的操作條件下該濃度范圍內(nèi)任何濃度下的滲透通量。
　　 第三,理論研究認為電中性溶液的納濾分離機理為篩分效應,所以學者們主要研究溶質(zhì)分子直徑與膜孔徑的大小關(guān)系對其納濾分離效果的影響,而料液濃度對其納濾分離過程的影響并沒有深入的研究。本文利用濃差極化模型分析各濃度下滲透通量實驗結(jié)果,得到濃差極化阻力與料

5、液濃度的函數(shù)關(guān)系。結(jié)合薄膜理論與溶解擴散模型,利用圖解法分析各濃度下截留率與滲透通量的關(guān)系,得到質(zhì)量傳遞系數(shù)與料液濃度的函數(shù)關(guān)系。
　　 結(jié)合濃差極化模型和薄膜理論與溶解擴散的結(jié)合模型,利用濃度與濃差極化阻力和質(zhì)量傳遞系數(shù)的函數(shù)關(guān)系,由此我們可以預測在一定操作條件下,高濃度電中性溶液納濾過程的滲透通量和表觀截留率。
　　 最后分析了操作條件對納濾分離過程能耗利用效率的影響。操作壓力的增大有利于能量利用效率的提高和單位產(chǎn)水