氮化碳骨架调控分离层微结构的渗透汽化膜制备及其应用

发布时间：2020-06-08 05:06

【摘要】：聚乙烯醇(PVA)膜在水溶液中易溶胀,化学改性可以提高其在水溶液中的稳定性及选择性,但膜的渗透通量下降。本文以降低PVA膜的溶胀、提高其对水的渗透选择性为出发点,以二维纳米材料氮化碳(g-C_3N_4)以及改性氮化碳为填充粒子,制备了系列PVA/g-C_3N_4有机-无机杂化膜,用于渗透汽化乙醇脱水。采用FT-IR、XRD、TG-DSC、SEM、XPS、WCA、BET等测试手段对制备的无机组分以及杂化膜的结构、形貌等进行表征,用实验和分子动力学(MD)模拟考察PVA膜的结构与性能特点。首先,以三聚氰胺为前驱体,通过550℃程序高温煅烧、500℃热氧化“刻蚀”、球磨、超声分散、冷冻干燥等手段合成了g-C_3N_4纳米片,热重分析表明g-C_3N_4在605℃以下都具有良好的热稳定性。以g-C_3N_4为无机纳米填充材料,考察不同g-C_3N_4的添加量,制备了交联CPVA-g-C_3N_4膜,以乙醇/水为分离体系,考察膜的渗透汽化性能。实验结果表明,当g-C_3N_4的添加量为0.2 g(X=4)时,杂化膜的渗透性能最佳。75℃下、分离70 wt.%乙醇水溶液时,膜的最优分离因子高达202.2,渗透通量为6384 g/(m~2h);分离85 wt.%乙醇水溶液时,膜的最优渗透通量为6502 g/(m~2h),分离因子为17.7;分离90 wt.%乙醇水溶液时,膜综合分离性能最佳,渗透通量为6332g/(m~2h),分离因子为30.7(交联的纯CPVA膜的渗透通量为2337g/(m~2h),分离因子为11.2)。料液温度对膜渗透汽化性能也有较大的影响,随着料液温度的升高,膜渗透通量和分离因子都呈上升趋势,即打破了传统高分子膜“trade-off”效应。膜的稳定性操作表明,连续运行120 h后,膜仍然具有初始的渗透通量和分离因子。其次,进一步对g-C_3N_4进行改性,通过双氧水水热合成出改性氮化碳(O-g-C_3N_4)和多巴胺(dopamine)聚合形成聚多巴胺(PDA)原位改性O-g-C_3N_4制备出PDA@O-g-C_3N_4纳米片。将g-C_3N_4、O-g-C_3N_4和PDA@O-g-C_3N_4添加到PVA基质中,并以琥珀酸(Sa)为交联剂,制备出性能优异的、含有氢键、刚性和柔性化学键的不同键合能力的渗透汽化杂化膜。在75℃、以90 wt.%的乙醇/水为分离体系,考察杂化膜的渗透汽化性能。结果表明,随着聚合物/无机界面之间的可控相互作用力的增强,从氢键(CPVA-g-C_3N_4)、刚性化学键(CPVA-O-g-C_3N_4)到柔性化学键(CPVA-PDA@O-g-C_3N_4),杂化膜的总通量从4634 g/(m~2h)降到2328 g/(m~2h),分离因子从32.4提高到57.9。与纯交联的PVA(CPVA)(渗透通量和分离因子分别为2325g/(m~2h)和18.7)膜相比,g-C_3N_4、O-g-C_3N_4和PDA@O-g-C_3N_4的加入,可以使CPVA膜表面亲水性和弯曲度增大,有利于水分子快速选择性渗透通过的孔道数目明显增多,从而使得杂化膜的分离性能得到了很大的提高。对CPVA-PDA@O-g-C_3N_4/PAN杂化膜进行长达120 h的稳定性操作考察,连续运行120 h后,膜仍然具有初始的渗透通量和分离因子,并且渗透侧的水含量一直维持在76.5 wt.%以上。最后,采用MD模拟预测聚乙烯醇/氮化碳杂化膜的结构与性能。添加4条PVA链、4个琥珀酸分子和3个g-C_3N_4分子的CPVA-g-C_3N_4杂化膜的综合性能是最佳的,即三者的添加量之间存在一个最优比;界面间的相互作用会降低结晶度,g-C_3N_4的成核效应会提高结晶度;g-C_3N_4与PVA及琥珀酸之间只存在弱氢键相互作用,界面间相互作用不强。
【图文】：

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渗透汽化过程示意图

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图 1-2 渗透汽化过程传质机理Fig. 1-2 Mass transfer mechanism in Pervaporation process拟在渗透汽化研究中的应用
【学位授予单位】：常州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ051.893

【参考文献】