中空纤维气体分离膜支撑层结构的优化研究

发布时间：2021-04-29 04:56

　　中空纤维膜的填充密度高,膜面积大,被广泛用于气体分离、污水处理、有机溶剂分离和海水淡化等领域。本论文分别以聚丙烯腈（PAN）和聚砜（PSF）通过干喷-湿纺法制备中空纤维膜,后通过涂覆硅橡胶（PDMS）分离层得到复合膜。通过调整铸膜液的配方和纺丝条件,优化中空纤维支撑层的结构,进而提高了中空纤维复合膜的气体分离性能。利用扫描电镜、水接触角、拉伸强度,研究了纺丝条件对中空纤维膜的形貌和力学性能的影响规律。通过测量气体渗透速率和分离系数等表征了复合膜的气体分离性能。结果表明,铸膜液中聚合物浓度越高,膜的传质阻力越大;增加非溶剂的含量使得中空纤维膜支撑层的通透性提高;芯液流速降低,中空纤维支撑层的气体渗透速率下降;牵引速率过快或芯液的水含量提高均导致支撑层阻力提高。PDMS的浓度较高时,容易得到无缺陷的复合膜,但是过高浓度会使得中空纤维复合膜对气体的渗透速率下降。我们发现,在采用溶剂交换法干燥中空纤维湿膜的过程中,膜内残留的溶剂与非溶剂会导致支撑层孔结构的塌陷。本文优化了溶剂交换的方法;比较了冷冻干燥、甲醇/正己烷溶剂交换、异丙醇/正己烷溶剂交换三种后处理方法对中空纤维膜气体渗透速率的影响;研... 

【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：87 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 气体分离膜技术
        1.2.1 膜分离技术的发展概况
        1.2.2 气体分离膜技术研究进展
        1.2.3 气体分离膜分离过程和传递机理
        1.2.4 气体分离膜的制备方法
        1.2.5 气体分离膜材料
    1.3 中空纤维气体分离膜
        1.3.1 中空纤维的成膜机理
        1.3.2 中空纤维的膜结构
        1.3.3 PAN中空纤维膜
        1.3.4 聚砜中空纤维膜
        1.3.5 聚醚砜中空纤维膜
        1.3.6 聚酰亚胺中空纤维膜
        1.3.7 橡胶态聚合物薄膜
    1.4 气体分离膜的应用和评价
        1.4.1 气体分离膜的应用
        1.4.2 气体分离膜的评价
    1.5 研究意义目的和主要内容
        1.5.1 课题研究的目的
        1.5.2 研究意义
        1.5.3 课题的研究内容
第二章 聚丙烯腈和聚砜中空纤维气体分离膜的制备与测试表征
    2.1 前言
    2.2 实验部分
        2.2.1 实验原料
        2.2.2 实验仪器
        2.2.3 实验操作
    2.3 PAN三相图的标定
        2.3.1 原料干燥
        2.3.2 聚合物溶液体系的配制
        2.3.3 浊点滴定
        2.3.4 相平衡曲线的计算及绘制
    2.4 测试与表征
        2.4.1 铸膜液粘度测试
        2.4.2 中空纤维膜的内外径
        2.4.3 扫描电子显微镜观察中空纤维膜的表观结构
        2.4.4 中空纤维膜整体孔隙率的测量
        2.4.5 中空纤维膜表面的性质
        2.4.6 PAN和PSF中空纤维的静态拉伸性能的研究
        2.4.7 中空纤维平均孔径的测量
        2.4.8 中空纤维复合膜的性能测试
        2.4.9 中空纤维的配方以及纺丝条件
第三章 聚丙烯腈和聚砜中空纤维膜气体分离性能
    3.1 聚丙烯腈铸膜液粘度
        3.1.1 铸膜液中聚合物和添加剂的含量对铸膜液粘度的影响
        3.1.2 温度对铸膜液粘度的影响
    3.2 聚丙烯腈/溶剂/非溶剂体系相平衡曲线的理论研究
        3.2.1 中空纤维膜相转化过程
        3.2.2 PAN/DG/NMP三相图体系
    3.3 聚丙烯腈(PAN)中空纤维
        3.3.1 聚合物质量分数对PAN中空纤维膜的影响
        3.3.2 非溶剂DG含量对膜的影响
        3.3.3 芯液流速对膜的影响
        3.3.4 不同收丝速度对中空纤维的影响
        3.3.5 不同芯液组成对PAN中空纤维的影响
    3.4 聚砜(PSF)中空纤维
    3.5 PAN和PSF中空纤维的接触角分析
    3.6 PAN和PSF中空纤维的力学性能
    3.7 PAN和PSF中空纤维复合膜的气体渗透性能和选择性
    3.8 PDMS浓度对膜性能的影响
    3.9 聚砜中空纤维与聚丙烯腈中空纤维的对比
    3.10 文献中报道的关于以PAN或PSF为基础的中空纤维膜或平板膜的比较
    3.11 本章小结
第四章 后续处理方法对PAN中空纤维的影响
    4.1 前言
    4.2 实验部分
        4.2.1 实验材料及仪器
        4.2.2 PAN中空纤维膜的选择
    4.3 探究水更换次数对中空纤维溶剂交换的影响
    4.4 探究溶剂交换过程中甲醇和正己烷交换次数对PAN中空纤维膜气体通量的影响
    4.5 探究溶剂交换中甲醇与正己烷对中空纤维丝的影响
        4.5.1 膜水通量和溶剂通量的测定
        4.5.2 不同溶剂通过膜的通量
    4.6 探究冷冻干燥、溶剂交换对PAN中空纤维膜丝的影响
    4.7 本章小结
第五章 论文结论与工作展望
    5.1 论文结论
    5.2 工作展望
参考文献
致谢
科研成果及已发表的学术论文
作者和导师简介
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本文编号：3166883