研究人員提出了一種集成電遷移膜吸收法，可從模擬混合氣體中分離出NO。實驗考察了放電電壓、氣體流量、入口濃度和吸附劑對一體化電遷移膜反應器中NO分離效率和總傳質系數的影響。實驗結果表明，隨著集成電遷移膜反應器的外加放電電壓的增加，NO分離效率和總傳質系數增大。在實驗過程中，無論是否排放，NO的分離效率都隨著氣體流量和NO入口濃度的增加而不斷降低。隨著氣體流量的增加，NO總傳質系數先增大后減小，而隨著NO入口濃度的增加，總傳質系數減小。與試驗條件下無放電電壓的膜吸收相比，在18kV放電電壓下，NO分離效率和總傳質系數分別提高了48.7%和9.7倍。
相關論文以題為“NO Separation Characteristics in Integrated Electromigration Membrane Reactor”發表在《Applied Sciences》上。
研究目的
隨著污染的頻繁發生和資源短缺的加劇，從污染的去除到污染物的資源化利用，污染控制技術一直在研究。化石燃料燃燒釋放的NOx會引起酸雨、霧霾、光化學煙霧等惡劣的環境問題，對人體健康和生態環境都有危害。目前，選擇性非催化還原脫硝技術(SNCR)和選擇性催化還原脫硝技術(SCR)在降低NOx排放方面表現出較高的去除效率。但同時也伴隨著一些技術難題，如大型設備、空氣預熱器堵塞、廢催化劑處理等。因此，開發新的反硝化技術或改進現有技術，提高排放標準就顯得尤為重要。
歷史研究
以膜纖維介質為分離界面的膜氣分離方法是一種新型的氣體吸收工藝，具有良好的應用前景。具有能耗低、結構緊湊、操作簡單、選擇性強等優點，通過氣液不接觸有效地克服了傳統濕法吸收設備中泛水、竄槽、起泡等缺點。近年來，開展了一系列膜吸收分離硫化氫(H2S)、SO2、NOx酸性氣體的實驗。例如，研究人員在膜吸收反應器中研究了H2S、SO2、NH3、CO2從氣相到液相的傳質過程，并測量了部分氣體的傳質系數。Rami等人利用膜吸收法在高壓下研究了天然氣中硫化氫的去除效率。Sun等人研究了以海水為吸收劑的中空纖維膜去除SO2的可行性，并研究了相關參數對其傳質系數的影響。Zhang等人分析了一些參數對膜接觸器中SO2去除效率的影響。Kartohardjono等人和Wang等人研究了膜吸收去除NOx的特性。在這些研究中,氣體分子通過膜的轉移主要取決于氣體的濃度差和壓差的兩面膜,它是伴隨著高氣體動力和大單位氣體膜面積實現高氣體分離效率。
電遷移是以電場力為驅動力，從混合物中濃縮或分離特定組分的一種有效分離方法。以電場力為驅動力的方法在工業生產中得到了廣泛的應用，在電滲析、電超濾、靜電除塵器等應用中表現出了優良的技術經濟性能。然而，很少有研究報道在膜吸收過程中通過電遷移提高氣體分離效率。鑒于此，本文提出了一種將等離子體技術、電遷移、膜分離和化學吸收有機結合的一體化電遷移膜分離工藝。分析了一體化電遷移膜分離反應器中NO的分離機理。研究人員還討論了放電電壓、氣體流量、入口濃度和吸附劑對NO分離效率和總傳質系數的影響。希望本研究能為氣體分離技術的發展提供新的思路和參考。
實驗方法
實驗過程示意圖如圖1所示。實驗裝置主要由氣體分配裝置、一體化電遷移膜分離反應器和氣體測量系統組成。采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制備230×50×60 mm的矩形反應器。
圖1.一體化電遷移膜反應器NO分離原理圖。
放電針電極均勻放置在電抗器上壁上，并與外部負極高壓直流電源相連。將不銹鋼板制成的接地電極置于反應釜內底，反應釜內底充滿水吸收劑。hydrophobicmicroporous膜由PVDF(聚偏二氟乙烯)和聚四氟乙烯(聚四氟乙烯樹脂)和孔隙大小0.22μm和150μm的厚度是針電極和接地電極之間的安裝,接地電極平行和反應堆劃分成兩個部分。由壓縮鋼瓶提供的N2-NO混合氣體通過針電極與膜之間的空間，而吸水水劑以65 mL·min?1的恒定流量連續通過膜與接地電極之間的空間。處理后的氣體通過氣體吸收裝置排出，利用煙氣分析儀測定NO的進、出口濃度。
放電電壓對分離效率和總傳質系數的影響
放電電壓對NO分離效率和總傳質系數的影響如圖2和圖3所示。從圖2可以看出，NO分離效率與放電電壓有關。當放電電壓從8 kV增加到18 kV時，NO分離效率先略有上升后迅速上升。在18 kV電壓下，分離效率約為57%，比無放電時提高了48.7%。NO負離子的形成與反應區的電子濃度有關(Hajime Tamon 1996)。當放電電壓低于8 kV時，效率增量小于1.05%，由于反應空間內電子濃度較低，幾乎沒有形成負離子。當放電電壓超過電暈起爆電壓時，電子雪崩導致電子數量迅速增加，促使沒有負離子的形成。因此，NO分離效率隨著放電電壓的增大而迅速提高。當放電電壓高于18 kV時，電場發生破壞。因此，設定最大放電電壓為18 kV。同樣，NO的總傳質系數隨著放電電壓的增大而增大(圖3)。當放電電壓由0增大到18 kV時，NO的總傳質系數由0.91×10?4增大到8.81×10?4 m·s?1;在放電電壓為18kv時，總傳質系數約為未施加電壓時的9.7倍。這可能是由于較高的放電電壓使NO負離子的數量和電遷移速度增加，不僅促進了NO的吸收，而且降低了氣相傳質阻力。
圖2.放電電壓對分離效率的影響。
圖3.放電電壓對總傳質系數的影響。
吸附劑對no分離效率和總傳質系數的影響
兩種不同吸附劑NaClO2和KMnO4/NaOH對分離效率和總傳質系數的影響如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可以看出,電暈放電可以提高分離效率和總傳遞系數,和分離效率和總傳遞系數與吸收劑NaClO2高于那些KMnO4 /氫氧化鈉作為吸收劑放電條件下或沒有放電。這可能是由于以下三個原因:(1)無負離子的遷移提高了電場的吸收效率;(ii) NaClO2與NO的反應速率高于KMnO4/NaOH與NO的反應速率;(iii)在氣體流量不變，其他實驗條件相同的情況下，吸收率越高，液相傳質阻力越小。
圖4.吸附劑對分離效率的影響。
圖5.吸附劑對總傳質系數的影響。
論
通過實驗研究可以得出以下結論:
(1)綜合電遷移膜分離方法能有效分離NO和NO- n2混合氣體。在放電電壓為18kV時，反應器中NO的分離效率約為57%。與無排放膜吸收工藝相比，NO的總傳質系數提高了9.7倍，提高了48.7%；
(2)NO負離子的電遷移能促進NO的分離和傳質。在實驗條件下，“當外加電壓越高，放電電壓越高，NO的分離效率和總傳質系數越高”；
(3)無論是否排放，NO的分離效率都隨著氣體流量和NO入口濃度的增加而不斷下降。隨著氣體流量的增加，NO總傳質系數先增大后減小，隨著NO入口濃度的增加總傳質系數減小。
