新型有机无机杂化渗透汽化透醇膜的研制及性能研究

发布时间：2017-10-30 01:41

  本文关键词：新型有机无机杂化渗透汽化透醇膜的研制及性能研究

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【摘要】：渗透汽化是一种利用被分离溶液各组分在膜中的溶解扩散速率的不同实现分离的膜分离技术。渗透汽化具有能耗低、分离性能高、无污染等优点,在挥发性有机物溶液(如乙醇-水)的分离和浓缩过程中,具有明显的技术优势和经济优势。目前,渗透汽化透醇膜的渗透通量和分离因子都比较低,难于满足工业需求。本论文采用水热合成法制备全硅沸石,系统地研究了有机杂化膜的制备,并制备了高性能的复合膜,且探讨了渗透汽化的传质过程。首先,本论文分别在碱性(OH)和中性(F)条件下合成了两种对乙醇具有优良吸附性的全硅沸石(silicalite-1(OH)和silicalite-1(F))。通过研究反应温度、反应时间、模板剂含量和水含量等,优化了沸石的合成工艺。利用FT-IR, XRD, NMR, IGA等方法表征全硅沸石,结果表明silicalite-1(OH)和silicalite-1(F)都具有MFI型晶体结构,且silicalite-1(F)的粒径明显大于silicalite-1 (OH), silicalite-1 (F)的疏水性要高于silicalite-1 (OH)。以PDMS为有机基体,全硅沸石为填充材料,系统地研究了不同沸石种类、沸石填充量对渗透汽化均质膜性能的影响。研究表明,在50℃下分离5 wt%的乙醇-水溶液,silicalite-1(F)均质膜的分离因子最高为23.8,silicalite-1 (OH)均质膜的分离因子最高为23。在相同填充量下,silicalite-1(F)均质膜的分离因子要高于silicalite-1 (OH)均质膜。但由于silicalite-1(F)的粒径较大,silicalite-1(F)的最大填充量仅为40 wt%,而silicalite-1 (OH)的最大填充量为60 wt%。采用多种硅烷偶联剂对silicalite-1 (OH)进行疏水改性,提高silicalite-1 (OH)与PDMS之间的兼容性,减少两者界面处的缺陷。通过FT-IR, CA, TGA, NMR等测试表明硅烷偶联剂成功地接枝到沸石表面,沸石的疏水性得到极大提高。其中,以乙烯基三乙氧基硅烷为偶联剂对沸石改性后,沸石与PDMS的亲合性最好,最佳分离因子为34.3。以Maxwell模型为基础,进一步研究了沸石填充量与渗透汽化均质膜性能的关系,成功地建立了关于沸石填充量与渗透汽化杂化膜性能的数学模型,此模型与实验数据吻合性良好。在上述研究基础上,为进一步提高渗透汽化膜的渗透通量,采用聚丙烯腈(PAN)超滤膜为基膜制备渗透汽化复合膜。此外,采用等离子体技术将正十六烯引入PAN膜表面,修饰PAN膜的孔道,并提高PAN膜表面的疏水性,进而制备渗透汽化复合膜。当料液温度为50℃,分离5 wt%的乙醇-水溶液,渗透通量为1733 g·m-2h-1,分离因子为17.7。以改性沸石杂化均质膜,研究了料液温度、乙醇浓度、料液流速、下游侧压力等操作参数对渗透汽化膜性能的影响。利用Aspen V7.3.2计算了乙醇的气液平衡曲线,发现渗透汽化膜的分离性能远高于气液平衡线。根据串联阻力模型,计算得到渗透汽化膜和渗透汽化边界层的传质阻力。通过增加料液流速,可以有效地抑制膜表面的浓差极化现象。同时,研究了料液温度、乙醇浓度、料液流速、下游侧压力等对复合膜的性能的影响。
【关键词】：渗透汽化 杂化膜 渗透通量 分离因子
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 1 文献综述14-30
• 1.1 渗透汽化14
• 1.2 渗透汽化的原理及特点14-15
• 1.3 渗透汽化的性能评价及影响因素15-16
• 1.4 渗透汽化的应用16-18
• 1.4.1 有机溶剂脱水16-17
• 1.4.2 水中脱除有机物17
• 1.4.3 有机体系之间的分离17-18
• 1.5 优先透醇膜材料18-23
• 1.5.1 膜材料选择的理论18-19
• 1.5.2 膜材料19-23
• 1.5.2.1 有机聚合物膜19-21
• 1.5.2.2 无机膜21
• 1.5.2.3 有机无机杂化膜21-23
• 1.6 有机无机杂化膜的研究进展23-27
• 1.6.1 有机无机杂化膜的物理结构分类23-24
• 1.6.1.1 均质膜23
• 1.6.1.2 复合膜23-24
• 1.6.2 有机无机杂化膜的制备方法24-26
• 1.6.3 有机无机杂化膜的渗透模型26-27
• 1.7 课题研究的背景、意义和内容27-30
• 1.7.1 课题研究背景和意义27-28
• 1.7.2 课题研究的内容28-30
• 2 全硅沸石的制备30-52
• 2.1 引言30-31
• 2.2 材料和方法31-34
• 2.2.1 实验材料和仪器31
• 2.2.2 全硅沸石的制备31-33
• 2.2.3 全硅沸石的测定33-34
• 2.2.3.1 全硅沸石吸附性能的测定33
• 2.2.3.2 粒径的测定33
• 2.2.3.3 孔径与比表面积的测定33
• 2.2.3.4 红外光谱分析33
• 2.2.3.5 晶体分析33-34
• 2.2.3.6 固态核磁分析34
• 2.2.3.7 水和乙醇的吸附等温线34
• 2.3 结果与讨论34-50
• 2.3.1 碱性模板剂下沸石制备条件的优化34-40
• 2.3.1.1 温度34-36
• 2.3.1.2 反应时间36-37
• 2.3.1.3 四丙基氢氧化铵的含量37-39
• 2.3.1.4 水含量39-40
• 2.3.2 中性模板剂下沸石制备条件的优化40-46
• 2.3.2.1 温度41-42
• 2.3.2.2 反应时间42-44
• 2.3.2.3 四丙基溴化铵的含量44-45
• 2.3.2.4 水含量45-46
• 2.3.3 全硅沸石的表征46-50
• 2.4 本章小结50-52
• 3 渗透汽化均质膜的制备52-86
• 3.1 引言52-53
• 3.2 材料与方法53-56
• 3.2.1 实验材料53
• 3.2.2 均质膜的制备53-54
• 3.2.3 全硅沸石的改性研究54
• 3.2.4 渗透汽化膜性能的测定54-56
• 3.2.4.1 渗透汽化实验54-55
• 3.2.4.2 热重分析55-56
• 3.2.4.3 示差扫描热分析56
• 3.2.4.4 形态分析56
• 3.2.4.5 接触角分析56
• 3.2.4.6 杂化膜的溶胀度测定56
• 3.3 结果与讨论56-84
• 3.3.1 渗透汽化均质膜的制备56-65
• 3.3.1.1 沸石种类的影响56-59
• 3.3.1.2 沸石填充量的影响59-61
• 3.3.1.3 混合沸石填充的研究61-63
• 3.3.1.4 沸石粒径的影响63-65
• 3.3.2 沸石的改性研究65-84
• 3.3.2.1 沸石改性分析65-71
• 3.3.2.2 硅烷偶联剂改性杂化膜的性能71-72
• 3.3.2.3 沸石改性条件的优化72-75
• 3.3.2.4 沸石填充量的影响75-77
• 3.3.2.5 渗透汽化杂化膜的模型77-81
• 3.3.2.6 有机无机杂化膜的机械性能81-82
• 3.3.2.7 有机无机杂化膜的稳定性82-84
• 3.4 本章小结84-86
• 4 渗透汽化复合膜的制备86-110
• 4.1 引言86-87
• 4.2 实验部分87-89
• 4.2.1 实验材料87
• 4.2.2 渗透汽化复合膜的制备87-88
• 4.2.3 等离子体接枝技术88
• 4.2.4 渗透汽化复合膜性能的测定88-89
• 4.2.4.1 渗透汽化实验88
• 4.2.4.2 扫描电镜测试88-89
• 4.2.4.3 红外测试89
• 4.2.4.4 接触角测试89
• 4.2.4.5 铸膜液粘度的测定89
• 4.3 结果与讨论89-108
• 4.3.1 渗透汽化复合膜的制备89-99
• 4.3.1.1 基膜对渗透汽化复合膜性能的影响89-93
• 4.3.1.2 底膜预处理对渗透汽化复合膜的影响93-94
• 4.3.1.3 铸膜液粘度对渗透汽化复合膜的影响94-97
• 4.3.1.4 刮刀速度97-98
• 4.3.1.5 固形物含量98-99
• 4.3.2 等离子体接枝技术99-108
• 4.3.2.1 单体99-101
• 4.3.2.2 接枝时间101-103
• 4.3.2.3 浓度103-105
• 4.3.2.4 功率105-106
• 4.3.2.5 气体流速106-108
• 4.3.2.6 不同渗透汽化复合膜性能的比较108
• 4.4 本章小结108-110
• 5 渗透汽化膜对乙醇-水溶液的分离性能的研究110-128
• 5.1 引言110
• 5.2 实验部分110-111
• 5.2.1 实验材料110
• 5.2.2 渗透汽化实验110-111
• 5.3 结果和讨论111-127
• 5.3.1 操作条件对渗透汽化均质膜的影响111-123
• 5.3.1.1 料液温度的影响111-115
• 5.3.1.2 料液浓度的影响115-118
• 5.3.1.3 下游侧压力对渗透汽化均质膜的影响118-120
• 5.3.1.4 料液流速对渗透汽化均质膜的影响120-123
• 5.3.2 操作条件对渗透汽化复合膜的影响123-127
• 5.3.2.1 温度对渗透汽化复合膜的影响124-125
• 5.3.2.2 料液浓度对渗透汽化复合膜的影响125
• 5.3.2.3 下游侧压力对渗透汽化复合膜的影响125-126
• 5.3.2.4 料液流速对渗透汽化复合膜的影响126-127
• 5.4 本章小结127-128
• 6 结论与展望128-132
• 6.1 结论128-129
• 6.2 主要创新点129-130
• 6.3 展望130-132
• 符号表132-134
• 参考文献134-142
• 个人简历及发表文章目录142-144
• 致谢144

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