与水形成共沸混合体系的物质分离，通常是采用吸附法或通过加入辅助物料以萃取精馏的方式实现。本文报道了应用沸石膜在分子水平上分离混合物的方法，除了用于工业上乙醇脱水工艺外，还可用于与实验室有关的膜分离行为的研究。

工业生产和实验室中，人们都会经常遇到与水形成的共沸混合物体系，这些混合物需用适当的方法分离以得到完全干燥的内容物。最为典型的例子是乙醇，它能以95.6%的质量百分数与水形成共沸混合物。如果用作燃料添加物，水分必须绝对除尽，因为存在于共沸体乙醇中的水与汽油混合，在低温情况下会产生相分离，从而引发导油管和发动机产生故障。另一个典型例子是2-丙醇与水形成共沸混合物，2-丙醇的质量百分数为87.4%。

工业上采用的脱水方法是共沸蒸馏或者将水吸附于适当的分子筛上，但这些方法耗能高，而且方法通常比较复杂。能耗对燃料乙醇的生产意义重大，因为生产时的高能耗需求会降低生物燃料的生态效率。而且共沸蒸馏时所用的辅料还可能对乙醇产生污染，从而对化妆品或制药产业产生重大影响。

替代方法：在分子水平上膜化

一种替代的方法是通过膜来除去水分。在这种情况下，分离在分子水平上进行，这已经不是传统意义上的膜过滤方法，而是渗透汽化或者蒸汽渗透法。其推动力不再是总的压力差，而是渗透物质在膜的两侧所产生的分压之差，位于渗透侧的渗透负压对于这种分压差的建立具有决定性的意义。组分的渗透压低于该组分的蒸汽压，因此渗透以气态形式进行，而于适当温度下会凝结成液态。在进行蒸汽渗透时，输入的混合物亦为气态，而在渗透汽化时变为液态（见图1）。

乙醇-水的分离与传统的膜过滤方法的差别，在于利用了待分离物质尺寸的大小，其取决于乙醇和水分子的动态半径，乙醇分子的半径为0.45μm，而水分子的半径为0.26μm ，因此所用的膜要能在分子水平上起到“筛选”作用。具有分离活性层的沸石所制成的陶瓷膜成为备选，这种结晶体硅铝酸盐可在亚微米级范围内确定网格结构。

水的分离可采用LTA沸石类型的NaA沸石，它具有0.41μm的孔格（见图2），这种沸石曾被传统地用于干燥吸附剂。将吸附剂以振摇的方式流经沸石层摇床，水便被吸收到摇床的沸石孔中，从而使吸附剂脱水，摇床在吸水饱和之后予以再生，这一操作多在明显的减压环境下进行。如果能够成功地将位于封闭层中的晶体沸石引入到载体结构的孔洞，就可以连续地进行脱水。图3是膜碎片的扫描电子显微镜摄谱图。在膜分离活性面的表面吸附了进料混合物的水分，在另一面则由于渗透压的降低而将水解吸。

工业蒸汽渗透脱水

蒸汽渗透脱水已在工程技术中用于乙醇的脱水。全球范围内现有两家NaA沸石膜的生产厂家：日本的三井公司Mitsui和弗劳恩霍夫研究所的赫尔姆斯多夫工业陶瓷与系统研究分所IKTS （此前为赫尔姆斯多夫工业陶瓷研究所）。IKTS 研究所拥有这种沸石膜的示范产品，它被制成长度1.2m的四通道几何学形状，对于实验室试验和专门的应用还可以做得更小。工程技术装备可以将数百张膜装配于不锈钢模块之中（见图4），即将面积达数百平方米的膜进行的装配。2008年，生产安装了具有120m2膜面积的大型装备，每天可进行80000L乙醇的脱水工作。

实验室膜测试和脱水试验

在大规模用于工业以前，要在实验室中进行膜测试和方法试验。首先要计算新的混合物膜的工作效率，IKTS 研究所提供了多种测试装备来检测不同的膜在渗透汽化和蒸汽渗透过程中的应用。这些装置同样适用于溶剂的脱水，进行大量的脱水工作（见图5）。

蒸汽渗透测量重要的参数有进料温度、满溢流速以及渗透压，这种装置可以将较小的膜应用于单通道管道中或较短的多管道中，采用重量法进行渗透流的分析和求值。进料的组成和渗透通过密度进行测定，进料混合物中很小的水分浓度和多组分的水分含量则采用卡尔费舍尔滴定法测定。在多组分的情况下也可采用气相色谱法进行测定。

按照U型管的原则对乙醇-水体系的样品进行自动化的度测定是有效的方法， U型管可以将分析密度精确至小数点后4~5位（例如 Anton Paar 公司的DMA 4500），乙醇和水的浓度测定准确度比较高。

膜和物质传输的特征分析

开发膜的重要手段之一，就是进行分离试验，以及采用特征分析方法如蒸汽压气体渗透监测法，这种方法可以快速地测定膜的质量以及介孔的孔径大小，并且没有破坏性。

膜的渗透流的应用具有重要的意义，要注意对膜的载体结构介孔中所生成的液流和扩散过程进行计算。现在已经证明，工业陶瓷载体膜与沸石膜类似，除了具有分离活性层之外还会影响物质的传输。

将来，优化的载体膜除了保持其所有的层级参数之外，还要显著提高渗透流的速度。为了进一步提高膜的渗透流，获得高表面积的膜载体，物质传输方面的信息就显得特别重要，这些都要经过准确的计算才能得到。

作者简介

Dr.Marcus Weyd: 1997~2004年相继就读于耶拿专科学校和弗莱堡矿业大学的环境专业、环境工程专业，2004~2007年于马格德堡大学攻读博士，2007年起为赫尔姆斯多夫工业陶瓷研究所科技人员，2010年起任弗劳恩霍夫研究所的赫尔姆斯多夫工业陶瓷与系统研究分所 “工程与建模”项目研究组长。

Dr.Hannes Richter: 1989~1994年就读于弗莱堡工业大学的“无机和非金属材料的发展”专业，1994~1998年攻读博士，1998年起为赫尔姆斯多夫工业陶瓷研究所科技人员。2010年起任弗劳恩霍夫研究所的赫尔姆斯多夫工业陶瓷与系统研究分所的“纳米微孔膜”项目研究组长。