有机物/水体系渗透汽化分离膜制备及分离性能研究

作     者：魏文静 

作者单位：南昌航空大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董永全

授予年度：2015年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 081701[工学-化学工程] 

主      题：渗透汽化 PVMHF离子液体膜 混合基质膜 交联 乙烯乙烯醇共聚物 

摘      要：渗透汽化膜分离技术是近二十年发展起来的一种新型膜分离技术,由于它具有操作简单、能耗低、不引入第三组分和经济环保等优点而得到了人们的普遍关注。随着渗透汽化膜分离技术的发展,用来分离有机物/水体系的常规膜材料机械强度小、稳定性差或者分离性能低下等缺点,限制其工业应用,于是开发高机械强度和良好稳定性的膜材料就成为其发展方向之一。本文以有机物/水体系为分离目标,开发几种新型的渗透汽化膜材料。(1)首先,以二甲基亚砜(DMSo)为溶剂,偶氮二异丁腈为引发剂,将1-(4-乙烯基苄基)-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(VMHF)离子液体用活性自由基聚合,制得聚[1-(4-乙烯基苄基)-3-甲基咪唑六氟磷酸盐](PVMHF)。用FTIR对制备的PVMHF的特征官能团进行表征,用TGA测定其热稳定性。实验结果表明:VMHF离子液体上的乙烯基发生自由基聚合,PVMHF在3000℃范围内有较好的热稳定性。其次,以溶液浇铸-真空干燥法制得PVMHF离子液体膜,用扫描电镜观察了PVMHF离子液体膜的微观形貌。由图可知,PVMHF离子液体膜表面光滑,致密。最后测定了PVMHF离子液体膜在乙醇/水体系中的溶胀性能和渗透汽化分离性能。结果表明:PVMHF离子液体膜中的阴阳离子优先同水接触,使得膜表现出优先透水性能。对高浓度的乙醇溶液表现出较好的脱水效果:在45℃下,97.5%乙醇/水溶液最高的渗透通量达到158.67 g·m-2·h-1,分离因子可达242.61。(2)首先,用溶剂热快速合成法制得ZIF-8粒子,用XRD对制得的ZIF-8的晶体结构进行表征。XRD测试结果表明:合成的ZIF-8的XRD衍射峰谱线与模拟标准ZIF-8的衍射峰谱线相吻合,证实了ZIF-8的晶体结构,结晶度良好。其次,以TPU为基体膜材料,ZIF-8为无机添加物,用物理共混法制得TPU/ZIF-8混合基质膜,并用FTIR、TGA、SEM对TPU/ZIF-8混合基质膜进行了表征。测试了TPU/ZIF-8混合基质膜在乙酸乙酯/水中的溶胀性能。FTIR和SEM结果显示,ZIF-8均匀的分散在TPU基质膜中。溶胀实验结果表明,ZIF-8对乙酸乙酯/水体系中的乙酸乙酯具有优先吸附性。最后,考察了TPU/ZIF-8混合基质膜对水中微量乙酸乙酯的分离性能。考察ZIF-8的掺入量、原料液中乙酸乙酯的浓度以及操作温度对TPU/ZIF-8混合基质膜渗透汽化分离性能的影响。结果表明:TPU/ZIF-8混合基质膜的渗透通量和分离因子随原料液中乙酸乙酯浓度的增加而增加;随操作温度的升高而增加;增加ZIF-8的掺入量,TPU/ZIF-8混合基质膜的渗透通量和分离因子先增大后减小。当ZIF-8的掺入量达到30%时,渗透通量最高可达155.283g·m-2·h-1,对应的分离因子为3.095。(3)以高结晶度的乙烯乙烯醇共聚物(EVOH)为膜材料,用化学交联法制备交联乙烯乙烯醇共聚物膜。用TGA、SEM对交联EVOH膜进行表征。SEM结果表明,交联EVOH膜的表面光滑平整致密,膜截面无大孔存在。TGA测试结果表明,交联EVOH膜在100℃开始缓慢热解,350℃以后热解明显。测试了交联EVOH膜在水/乙醇中的溶胀效果,考察了制膜条件(交联剂的用量)、分离操作条件(乙醇浓度和操作温度)等对膜的渗透汽化分离性能的影响。结果表明:交联EVOH表现出较好的耐水性能,对水有优先透过性。随着交联剂用量的增加,交联EVOH膜的渗透通量先增加后减小,分离因子则持续增加;原料液中乙醇含量增加,膜的渗透通量缓慢增加,分离因子明显减小。提高操作温度,膜的渗透通量不断增大,分离因子略微减小,但变化不明显。GA的添加量为GA/EVOH=1.5制得的膜,对95%的乙醇/水体系,操作温度为70℃,渗透通量最高为382.264g·m-2·h-1,对应的分离因子为56.72。