聚二甲基硅氧烷渗透汽化膜的制备及对乙醇水溶液的分离研究

发布时间：2017-09-02 11:03

  本文关键词：聚二甲基硅氧烷渗透汽化膜的制备及对乙醇水溶液的分离研究

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【摘要】：以纤维素或木质纤维素为原料经发酵工艺生产乙醇已经成为一个重要的研究方向。在发酵工艺中一个至关重要的因素就是如何用低成本的方法从发酵溶液中将乙醇提取出来。由于渗透汽化膜技术具有高选择性、高渗透通量、高分离效率等潜在优点,使其在乙醇提取方面的应用受到了广泛关注。对于渗透汽化膜制备来说,研究较多的是以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为前驱体,经与多官能团交联剂反应后得到的硅橡胶分离膜。为了深入研究PDMS前驱体的分子量等因素对膜性能的影响,本文以正己烷为溶剂、正硅酸乙酯(TEOS)为交联剂、多种分子量(数均分子量为26.6 K、35.5 K、50.2K、71.7 K和110.4 K)的双端羟基型PDMS为交联前驱体、二月桂酸二丁基锡(DBTD)为催化剂,在室温下制备出了30种PDMS膜。以甲苯为抽提剂对交联膜进行了抽提未交联组份的处理。研究了甲苯抽提、催化剂含量、交联剂含量等对PDMS膜的杨氏模量、水和乙醇的接触角、膜的溶胀性质的影响。还研究了膜在乙醇、水及其混合溶液中的渗透性能。实验发现前驱体的分子量和催化剂添加量的改变对抽提前后膜的拉伸模量影响较小。催化剂含量为3%时,随着交联剂含量的增加交联膜的杨氏模量增加。对于交联剂含量为3%和5%的膜,除了分子量为110.4 K的前驱体外,随着催化剂含量的增加膜的杨氏模量先增大后减小,杨氏模量在催化剂含量为3%时均有最大值。当交联剂为5%,以分子量为50.2 K的前驱体制备的膜具有最强的疏水性,其水接触角为140°。在催化剂含量为5%时,以分子量为110.4 K的前驱体制备的交联膜具有最好的亲乙醇性能,其乙醇接触角为25.5°。本论文对膜进行乙醇水分离性能的实验中发现,交联剂含量小的膜溶胀度大。在交联剂含量为3%、催化剂含量为5%时,由分子量为50.2K的前驱体制备的交联膜具有最大的乙醇溶胀度为2.9%。当交联剂含量少时膜的水通量较低。随着催化剂含量的增大乙醇的渗透通量先减小后增大。以分子量为26.6 K前驱体制备的膜具有最大的乙醇渗透通量,在催化剂含量为1%时膜片的渗透通量为1870 kg·m-2·h-1。在10%的乙醇水溶液中进行的渗透汽化实验表明,随着前驱体分子量的增大膜的渗透通量先增大再减小。在前驱体分子量为110.4 K时膜的渗透通量最大,为32 kg·m-2.h-1。膜的分离因子变化趋势与渗透通量的变化趋势相反。对于以前驱体分子量为50.2K制备的膜,分离因子有最大值为7.2。前驱体分子量对渗透分离因子(PSI)值的影响趋势与其对渗透通量的影响趋势相似。在催化剂含量为1%时,PSI值出现最大值,说明在此催化剂条件下的膜的分离性能最好。在前驱体分子量为35.5 K时,膜的乙醇／水分离性能最高。
【关键词】：渗透汽化 膜 聚二甲基硅氧烷 乙醇/水溶液
【学位授予单位】：东北林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ028.8;TQ223.122
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-22
• 1.1 引言9-14
• 1.1.1 燃料乙醇的发展10-12
• 1.1.2 燃料乙醇生产技术12-14
• 1.2 渗透汽化分离技术14-16
• 1.2.1 渗透汽化分离技术介绍14
• 1.2.2 渗透汽化分离的基本原理14-15
• 1.2.3 渗透汽化在燃料乙醇生产中的应用15-16
• 1.3 优先透醇膜的简介16-20
• 1.3.1 有机高分子膜18-19
• 1.3.2 无机膜19-20
• 1.3.3 有机无机复合膜20
• 1.4 本论文研究内容与意义20-22
• 2 PDMS渗透汽化膜的制备及基本性能的研究22-37
• 2.1 实验内容22
• 2.2 实验药品与仪器22-23
• 2.3 PDMS膜的制备23-24
• 2.4 力学性能测试24-25
• 2.5 接触角测试25
• 2.6 结果与讨论25-36
• 2.6.1 PDMS膜的力学拉伸性能25-31
• 2.6.2 PDMS膜的接触角31-36
• 2.7 本章小结36-37
• 3 渗透汽化膜的乙醇水分离研究37-52
• 3.1 实验内容37
• 3.2 渗透汽化膜的溶胀37-38
• 3.3 渗透汽化膜实验38-39
• 3.3.1 渗透汽化装置38-39
• 3.3.2 膜的渗透汽化性能测试39
• 3.3.3 渗透汽化膜的性能39
• 3.4 实验结果与讨论39-51
• 3.4.1 溶胀度的分析39-43
• 3.4.2 乙醇和水的渗透汽化分析43-49
• 3.4.3 乙醇/水溶液的渗透汽化分析49-51
• 3.5 本章小结51-52
• 结论52-53
• 参考文献53-57
• 攻读学位期间发表的学术论文57-58
• 致谢58-59

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本文编号：778140