PIM-1/PDMS杂化膜的制备及其渗透汽化性能研究

• 作 者: 程浩峰
• 出 处: 浙江工业大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 渗透汽化 PIM-1 PDMS 混合基质膜 正丁醇

随着经济的快速发展,能源危机在世界范围内变得越来越严重。作为最有价值的生物燃料之一,生物丁醇的开发和应用为该危机提供了另一种解决方案。通常,通过常规A-B-E（丙酮-丁醇-乙醇）发酵生产丁醇受产物抑制的严格限制,导致低产率和低浓度（0.5-1 wt%）。由于正丁醇的正常沸点高于水,正丁醇和水倾向于形成共沸物,这使得使用常规技术如萃取和蒸馏从水中分离正丁醇的过程更加耗能。渗透汽化膜（PV）分离技术相较于传统分离技术具有能耗低、分离系数高和操作简单等优点,因此非常有希望用于高效回收来自稀水溶液的正丁醇。其中膜材料在亲有机物渗透汽化中起关键作用,而常用的是疏水性有机聚合物材料,其中,PDMS由于其具有低表面张力,良好的热稳定性和商业可用性等优点而被广泛应用。然而由于聚合物分离在渗透性和选择性间存在上限,纯PDMS膜难以达到工业正丁醇回收所需的优异渗透汽化性能。为解决这一问题,提出无机填料和聚合物基体结合制备混合基质膜,以提高渗透汽化性能。尽管这些混合基质膜获得了相对较高的分离因子,但仍存在一些挑战,比如链刚性、弱界面相容性、纳米颗粒的聚集和低结构稳定性。因此,探索填料和有机聚合物之间具有良好亲和力的高质量混合基质膜是至关重要的。作为一种新型微孔有机聚合物,PIMs具有独特的特性,如较高的自由体积分数,比表面积大,优异的物理和化学稳定性。而且亲有机性的PIM-1使得其与传统的聚合物基质具有良好的相容性。因此,将PIM-1与传统聚合物基质混合可以最小化无机填料制备杂化膜所遇到的一些障碍,并改善膜分离性能。通过将刚性的PIM-1和柔性的PDMS相互组合来制备PIM-1/聚二甲基硅氧烷（PDMS）杂化渗透汽化膜。使用各种技术,包括FTIR,SEM,EDS,NMR,GPC,接触角测角,N₂吸收/解吸,渗透汽化测量和溶胀测试来表征和评估PIM-1/PDMS膜的性质。与纯PDMS膜相比,制备的PIM-1/PDMS渗透汽化膜在低浓度的正丁醇/水体系分离中表现出优异的渗透通量1425.3 g/（m²·h）和分离因子30.7。此外,该膜即使在240小时的长期连续操作中也表现出优异的稳定性和完整性,并且PIM-1具有很强的耐溶剂性,在生产稳定的渗透汽化膜以实现正丁醇的工业回收方面具有很大的应用前景。