基于双(三乙氧基硅基)乙烷(BTESE)膜的水(H2O)/乙酸(AcOH)混合体系蒸汽渗透分离性能研究及其分子筛效应机制解析

本研究针对乙酸脱水过程中传统蒸馏技术能耗高、效率低的难题，创新性地采用溶胶-凝胶法制备双(三乙氧基硅基)乙烷(BTESE)有机硅膜，通过蒸汽渗透(VP)技术实现了H2O/AcOH体系的高效分离。结果表明BTESE膜在120°C、100 kPa条件下可获得3000-5800的分离因子和12-28 kg m-2 h-1的水通量，其优异的长期稳定性为工业乙酸脱水提供了节能环保新方案。

　　

乙酸作为化工领域最重要的20种有机中间体之一，在乳胶漆、醋酸纤维素等产品的生产中具有不可替代的作用。然而在乙酸生产过程中，水作为副产物会形成难以分离的H₂O/AcOH共沸体系，传统蒸馏工艺需要大量塔板和高回流比，能耗极高。虽然渗透蒸发(PV)和蒸汽渗透(VP)技术被视作潜在替代方案，但现有膜材料在高温酸性环境下的稳定性与分离效率仍存在重大挑战。

为解决这一难题，研究人员开发了基于双(三乙氧基硅基)乙烷(BTESE)的有机硅膜。该研究通过溶胶-凝胶工艺制备了具有不同孔径(0.45-0.62 nm)的BTESE膜，系统考察了其在H₂O/AcOH混合体系中的蒸汽渗透性能。研究团队采用单气体渗透测试结合改进的气体传递(mGT)模型精确表征膜孔径分布，建立操作参数(温度、压力、浓度)与分离性能的构效关系，并通过长达9天的长期稳定性实验验证了材料的工业应用潜力。

关键技术方法包括：1)采用溶胶-凝胶法制备BTESE膜，通过调节乙醇含量控制膜孔径；2)使用α-氧化铝管状载体构建复合膜结构；3)通过单气体渗透实验测定H₂、CO₂等气体的渗透率；4)建立蒸汽渗透测试系统，在120-150°C、100-300 kPa条件下评估分离性能；5)采用改进的气体传递模型计算膜孔径分布。

【单气体渗透(SGP)与孔径评估】研究发现BTESE膜的H₂/CH₄和H₂/CF₄渗透比与孔径呈负相关，M-0.32-0.45-1膜展现出最高选择性(176和1220)。通过mGT模型计算确认孔径在0.45-0.62 nm范围内可调，证实分子筛效应是主导分离机制的关键因素。

【H₂O/AcOH蒸汽渗透分离稳定性】短期测试显示0.45-0.47 nm孔径膜具有最佳稳定性，AcOH渗透通量随时间递减而H₂O通量保持稳定。长期实验证实M-0.32-0.45-1膜在9天内维持稳定性能，分离因子达5800，归因于-CH₂-CH₂-疏水连接基团的化学稳定性。

【压力与温度影响】升高压力(100→300 kPa)使H₂O通量从42增至141 kg m^-2 h^-1，但分离因子稳定在400-500。温度升高导致H₂O和AcOH渗透率下降，活化能分析显示AcOH(-31 kJ mol^-1)比H₂O(-26 kJ mol^-1)具有更强的吸附性。

【GP与VP性能关联】H₂O渗透率与H₂渗透率呈正相关(r=0.92)，AcOH渗透率与CH₄/CF₄渗透率存在线性关系，证实气体渗透测试可有效预测液体分离性能。

【性能比较】BTESE膜在120°C、50 wt% AcOH条件下展现12-28 kg m^-2 h^-1通量和3000-5800分离因子，显著优于文献报道的MCM-22沸石膜(通量0.64 kg m^-2 h^-1，分离因子78)和TEOS二氧化硅膜(通量3.6 kg m^-2 h^-1，分离因子200)。

该研究证实BTESE膜通过精确控制的微孔结构(0.45-0.47 nm)实现了分子筛分效应，其疏水骨架赋予材料在酸性环境下的长期稳定性。相比传统蒸馏工艺，该VP技术可降低能耗；相较于PV过程，VP避免了料液直接接触带来的膜污染问题。这些发现为化工分离领域提供了新型高效膜材料设计思路，对推动乙酸生产过程的绿色化改造具有重要意义。论文的创新性在于首次系统阐明了BTESE膜在VP过程中的构效关系，建立了气体渗透与液体分离性能的预测模型，为有机硅膜在苛刻条件下的工业应用奠定了理论基础。