纤维素生物质转化生产燃料乙醇中高浓度纤维素糖化液纳滤膜分离研究

摘要

随着能源的枯竭,新能源的开发已成为社会热点。其中纤维素生物质转化生产燃料乙醇因为其原材料丰富和持续可再生而倍受重视。但其经济性特别是能耗问题是该过程工业化的关键。酶水解法纤维素生物质转化生产燃料乙醇是已实现工业化的技术路线之一,由酶水解法的特性所决定,其中各转化单元都在水溶液中进行,因此实现低能耗浓缩糖化液对酶水解法纤维素生物质转化生产燃料乙醇的经济性意义重大,而膜分离是最为合适的工艺之一。本文围绕膜分离方法浓缩糖化液过程,利用商业卷式纳滤膜组件研究了高浓度糖溶液纳滤分离过程,并进行模型构建和理论分析,为提高酶水解法纤维素生物质转化生产燃料乙醇的经济性提供技术支持,为高浓度溶质水溶液膜分离效率的预测以及膜分离过程的优化提供指导。
　　 本论文工作首先以质量分数为0.11～0.98 mol/L的葡萄糖溶液为模型溶液,探索了高浓度葡萄糖溶液纳滤分离工艺。研究了操作压力、操作温度以及料液浓度三个主要操作条件对纳滤分离效率的影响。研究结果表明在较低浓度下,渗透通量受操作压力影响较大,截留率受操作压力影响较小;而在较高浓度下,结果刚好相反。随着温度的升高,压力增大可以加快渗透通量的增加速率,可以降低截留率的下降速率;浓度增大将降低渗透通量的增加速率,同时将加快截留率的降低速率。
　　 第二,在大量实验数据的基础上具体分析了料液浓度对渗透通量的影响,并对电中性溶液的纳滤分离过程进行建模和模拟分析。研究结果表明,在较高的料液浓度下,溶剂的渗透通量与外加压力并不是传统的线性关系,根据大量数据拟合,可得到溶剂的渗透通量与外加压力呈幂函数关系。从而建立了高浓度电中性溶液纳滤分离过程中料液浓度对渗透通量影响的经验方程,以此可以预测一定的操作条件下该浓度范围内任何浓度下的渗透通量。
　　 第三,理论研究认为电中性溶液的纳滤分离机理为筛分效应,所以学者们主要研究溶质分子直径与膜孔径的大小关系对其纳滤分离效果的影响,而料液浓度对其纳滤分离过程的影响并没有深入的研究。本文利用浓差极化模型分析各浓度下渗透通量实验结果,得到浓差极化阻力与料液浓度的函数关系。结合薄膜理论与溶解扩散模型,利用图解法分析各浓度下截留率与渗透通量的关系,得到质量传递系数与料液浓度的函数关系。
　　 结合浓差极化模型和薄膜理论与溶解扩散的结合模型,利用浓度与浓差极化阻力和质量传递系数的函数关系,由此我们可以预测在一定操作条件下,高浓度电中性溶液纳滤过程的渗透通量和表观截留率。
　　 最后分析了操作条件对纳滤分离过程能耗利用效率的影响。操作压力的增大有利于能量利用效率的提高和单位产水体积能耗的降低。温度升高也可以得到类似结果,只是不利于溶质的截留。料液浓度的增加使能量利用效率降低,单位产水体积能耗增大。
　　 本文研究了高浓度单糖溶液纳滤分离过程中操作条件对分离效率和能耗的影响,并建立了浓度对渗透通量以及表观截留率影响的模型。为工业生产中高浓度糖溶液的膜分离浓缩过程提供参考。