無機膜與膜反應器（簡體書）

膜是一種具有選擇性分離功能的新材料，膜技術是以膜為核心的高效分離技術，具有節約能耗和環境友好的特點。膜從材料上可分為無機膜、有機膜、有機無機復合膜等，無機膜主要有陶瓷膜、鈣鈦礦膜、分子篩膜、碳化硅膜、金屬膜等，具有高溫穩定性、化學穩定性、機械穩定性等優點，特別適用於苛刻體系的物質分離。無機膜技術與反應過程耦合構成的膜反應器，同時兼有反應與分離功能，可將間歇反應過程變為連續反應過程，具有節省投資、降低能耗、提高產品收率的優勢。根據反應體系的不同，膜反應器一般可分為液相催化膜反應器、氣相催化膜反應器和膜生物反應器，可通過調整膜微結構和構型，選擇適當的操作條件來提高反應器中反應的選擇性和轉化率。本書系統介紹了面向反應體系的無機膜設計與制備、膜反應器的構建與工程應用，重點闡述了膜的選擇、膜反應器構型設計、反應-膜分離耦合規律、膜污染機理和膜污染控制方法等，旨在進一步推進無機膜與膜反應器技術的發展。無機膜反應器的工程化仍然存在很多科學、技術和工程問題，還需要長期深入研究，尤其是膜反應器在氣相反應中的應用尚未取得工程突破，還需要同行們一起合作努力。
本書共分為10章：第一章緒論簡要介紹了膜技術、膜反應器以及無機膜反應器的研究進展，展望了未來發展方向；第二章主要介紹了面向液相反應的陶瓷膜設計方法、制備技術以及陶瓷膜穩定性的控制方法；第三章主要介紹了不同液相陶瓷膜反應器的設計方法，重點涉及浸沒式和氣升式膜反應器的構建；第四～八章主要介紹了陶瓷膜反應器在加氫、羥基化、氨肟化、沉澱反應以及微納粉體制備中的工程應用；第九章主要介紹了氣相催化無機膜反應器，重點介紹分子篩膜、碳化硅膜以及鈣鈦礦膜材料的制備及典型氣相催化膜反應器的應用研究；第十章主要介紹了無機膜生物反應器及其在廢水處理和生物發酵過程中的應用。
參與本書撰寫工作的還有金萬勤教授、範益群教授、顧學紅教授、仲兆祥教授、張廣儒副教授、張峰副教授、邱鳴慧副教授、張春博士等，對他們的辛勤付出表示衷心的感謝！感謝谷和平教授在本書成稿過程中給予的幫助和審閱！本書內容主要來自南京工業大學膜科學技術研究所20多年來在無機膜與膜反應器領域取得的成果，在此對曾經參與研究工作的教師和學生表示衷心的感謝！在本書撰寫中還引用了本領域科研工作者的相關研究工作成果，在此一並表示衷心的感謝！
特別感謝徐南平院士，本書中的研究工作均是在他指導下完成的；也是遵循了徐院士提出的“面向應用過程的膜設計、制備與應用”的學術思想，才實現了陶瓷膜反應器從基礎研究走到工程化應用。
本書的研究工作得到國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃（973）、國家高技術研究發展計劃（863）、國家科技支撐計劃、國家重點研發計劃等項目的支持，特此感謝！
本書只是我們研究成果的初步總結，研究工作中難免有片面觀點，希望讀者多提寶貴意見；我們盡所能呈現無機膜與膜反應器技術的研究進展，但限於時間和水平，書中也難免存在不足和疏漏之處，敬請讀者批評指正。

著者
南京工業大學膜科學技術研究所
2019年8月於南京

第一章　緒論 / 1
第一節　膜技術簡介 1
一、膜材料 1
二、膜過程 2
三、膜應用 2
第二節　膜反應器技術簡介 3
一、膜反應器的發展 3
二、膜反應器的分類 5
第三節　無機膜反應器的研究進展 6
一、液相催化無機膜反應器 6
二、氣相催化無機膜反應器 7
三、無機膜生物反應器 7
第四節　應用前景與展望 8
參考文獻 10

第二章　面向液相反應的陶瓷膜設計與制備 / 11
第一節　引言 11
第二節　陶瓷膜的設計方法 12
一、模型思路 13
二、模型建立 17
三、顆粒受力分析 20
四、分離過程計算 21
五、操作條件的優化 22
第三節　陶瓷膜的制備技術 24
一、陶瓷膜厚度的定量控制 24
二、陶瓷膜孔結構的定量控制 26
三、陶瓷膜表面性質的控制 49
四、陶瓷膜構型的控制 53
第四節　陶瓷膜材料的穩定性 58
一、化學穩定性 59
二、熱穩定性 59
三、機械穩定性 60
第五節　陶瓷膜污染控制方法 61
第六節　結語 61
參考文獻 62

第三章　液相陶瓷膜反應器的設計與優化 / 67
第一節　引言 67
第二節　浸沒式膜反應器的設計 68
一、數學模型的建立 68
二、CFD模擬參數 71
三、浸沒式膜反應器的流場及流動特性 72
第三節　氣升式膜反應器的設計 78
一、氣升式膜反應器的數值模擬 78
二、雙環流氣升式膜反應器的數值模擬 85
三、膜通道內的氣液兩相流模擬 91
第四節　液相膜反應器的優化設計 93
一、數學模型 93
二、模型的驗證和優化 95
第五節　結語 99
參考文獻 100

第四章　陶瓷膜反應器在加氫反應中的應用 / 103
第一節　引言 103
第二節　骨架鎳催化對硝基苯酚制對氨基苯酚 104
一、膜孔徑的選擇 104
二、操作條件對膜通量的影響 105
三、膜過濾成套裝置的建設與運行 107
第三節　納米鎳催化對硝基苯酚制對氨基苯酚 109
一、納米鎳催化劑的合成及批量制備 109
二、納米鎳催化-膜分離耦合過程研究 112
三、膜污染機理及控制方法 123
四、中試裝置的建設與運行 133
第四節　結語 135
參考文獻 135

第五章　陶瓷膜反應器在羥基化反應中的應用 / 139
第一節　引言 139
第二節　外置式膜反應器在苯酚羥基化反應中的應用 140
一、外置式膜反應器系統的設計 140
二、TS-1催化苯酚羥基化反應操作過程 140
三、苯酚羥基化反應-膜分離耦合過程規律研究 142
四、膜污染機理及膜清洗策略 148
第三節　浸沒式膜反應器在苯酚羥基化反應中的應用 157
一、浸沒式膜反應器系統的設計 157
二、TS-1催化苯酚羥基化反應操作過程 158
三、苯酚羥基化反應-膜分離耦合過程規律研究 159
四、間歇反應與連續反應過程的比較 164
第四節　雙膜式膜反應器在苯酚羥基化反應中的應用 165
一、雙膜式膜反應器裝置流程 166
二、雙膜式膜反應器的操作方法 166
三、陶瓷膜孔徑的影響 167
四、雙膜式膜反應器的操作條件優化 167
五、雙膜式膜反應器的運行穩定性 171
第五節　陶瓷膜反應器在苯酚羥基化反應中的工業應用 175
一、工藝流程 175
二、運行穩定性 176
第六節　結語 178
參考文獻 178

第六章　陶瓷膜反應器在氨肟化反應中的應用 / 181
第一節　引言 181
第二節　一體式膜反應器在丙酮氨肟化反應中的應用 182
一、一體式膜反應器系統的操作方法 182
二、TS-1催化丙酮氨肟化制丙酮肟 183
三、丙酮氨肟化反應-膜分離耦合過程規律 187
四、一體式膜反應器運行穩定性 193
第三節　膜分布反應器在氨肟化反應中的應用 197
一、膜分布反應器的流程 198
二、丁酮氨肟化制丁酮肟反應條件 199
三、環己酮氨肟化制環己酮肟反應條件 204
四、膜分布器穩定性 209
五、催化劑失活機理及再生 210
第四節　氣升式雙膜反應器在氨肟化反應中的應用 219
一、氣升式雙膜反應器的工藝流程 219
二、氣升式雙膜反應器的操作方法 220
三、氣升式雙膜反應器中反應-膜分離耦合規律 221
第五節　陶瓷膜反應器在環己酮氨肟化反應中的工業應用 229
一、環己酮氨肟化工藝流程 229
二、陶瓷膜污染機理分析 230
三、膜再生方法 234
四、二氧化硅顆粒協同控制方法 239
五、陶瓷膜反應器工業裝置 244
第六節　結語 245
參考文獻 245

第七章　陶瓷膜反應器在沉澱反應中的應用 / 251
第一節　引言 251
第二節　鹽水體系沉澱反應 252
一、沉澱溶解平衡模型的構建 252
二、鹽水精制反應時間的確定 258
三、操作條件對沉澱反應的影響 260
四、精制反應條件的確定 263
第三節　鹽水體系的陶瓷膜過濾性能 265
一、Cl-型飽和鹽水體系膜過濾性能優化 265
二、SO42-型飽和鹵水體系膜過濾性能優化 269
第四節　化學沉澱-陶瓷膜分離耦合連續精制鹽水 271
一、陶瓷膜反應器的設計及連續鹽水精制 271
二、沉澱反應-膜分離耦合工藝連續精制鹽水 272
三、膜污染機理及膜清洗 275
第五節　陶瓷膜反應器在精制鹽水中的工業應用 279
一、鹽水精制工藝的比較 279
二、工業運行中的膜污染及再生方法 280
三、工業運行結果 292
四、經濟性分析 292
第六節　結語 294
參考文獻 294

第八章　陶瓷膜反應器用於微納粉體的制備 / 296
第一節　引言 296
第二節　陶瓷膜集成濕化學法制備超細粉體 297
一、超細粉體制備工藝流程 297
二、反應條件對超細粉體顆粒粒徑的影響 298
三、膜洗滌過程對顆粒表面電位及顆粒粒徑的影響 302
四、陶瓷膜集成濕化學法在超細粉體制備中的工程應用 305
第三節　陶瓷膜二次射流乳化法制備微納粉體 306
一、多孔氧化物的制備 307
二、聚合物微球的制備 311
第四節　膜分散技術制備微納粉體 315
一、超細碳酸鋅的制備 316
二、超細氯化亞銅的制備 321
三、超細氧化亞銅的制備 327
第五節　結語 336
參考文獻 336

第九章　氣相催化無機膜反應器 / 339
第一節　引言 339
第二節　分子篩催化膜反應器 339
一、Silicalite-1分子篩膜與間二甲苯異構化反應 340
二、MFI分子篩膜與高溫水煤氣變換反應 345
三、Au-Zr/FAU催化膜與CO選擇性氧化反應 355
第三節　碳化硅催化膜反應器 363
一、碳化硅催化膜的制備 364
二、碳化硅催化膜用於大氣中VOCs的降解 373
三、催化膜的粉塵脫除性能 380
四、催化膜協同脫除性能 382
第四節　鈣鈦礦膜反應器 384
一、混合導體氧滲透膜的制備 385
二、甲烷部分氧化膜反應過程 387
三、二氧化碳分解耦合甲烷部分氧化膜反應研究 392
第五節　結語 404
參考文獻 404

第十章　無機膜生物反應器 / 409
第一節　引言 409
第二節　陶瓷膜生物反應器用於廢水處理 410
一、膜材質及膜孔徑對膜生物反應器的影響 410
二、陶瓷膜構型對膜生物反應器的影響 412
三、膜污染控制及污染膜清洗策略 416
第三節　膜法生物發酵制燃料乙醇 418
一、發酵-滲透汽化耦合制燃料乙醇工藝 418
二、氣升式膜生物反應器用於發酵法制燃料乙醇 427
第四節　膜法生物發酵制乳酸 432
一、發酵法乳酸生產工藝 432
二、膜法乳酸生產新工藝 433
第五節　結語 442
參考文獻 442

索引 446