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渗透汽化(PV)作为一种有效的膜分离技术,可实现液体混合物的分离,与传统的蒸馏、萃取、吸附、结晶等分离技术相比,PV具有节能、环保、操作简单等显著的优势。PV分离技术中有机物脱水是最重要的研究方向。乙醇广泛的应用及最近兴起的乙醇替代传统汽油的生物燃料开发,使得有效地乙醇脱水显得十分必要和紧迫。目前,乙醇脱水PV膜材料通量和分离选择性仍需进一步提高。因此,开展新型乙醇脱水膜材料提高膜的渗透通量和分离性及其它相关性能的研究,具有重要的理论和实际意义。 聚电解质络合物(PEC)具有亲水和离子交联的特性,既有利于提高PEC膜(PECM)的渗透通量,又可限制PECM在水性料液中过度溶胀和反离子的流失,从而保证较高的选择性。因此,PECM应是一种理想的PV醇脱水膜材料。本课题组曾采用酸保护-去保护法制备了可加工弱酸型PEC及其均质的PECM,其用于水-异丙醇分离时,呈现高渗透性和高分离选择性。然而对水-乙醇分离体系,该类PECM的渗透通量和选择性却不佳亟待提高。此外,由弱酸聚电解质构筑纯PECM的其它性能如耐酸性、耐水性及力学性能欠好。本文通过合成新型的聚电解质和采用新的制备法,构筑了系列可加工强酸型PEC及其均质的PECM膜,其用于乙醇脱水时,呈现PV性能高、耐酸性强、耐水性好、力学性能高的特点。 采用自由基聚合方法,合成了丙烯酸钠与苯乙烯磺酸钠双阴离子共聚物(P(AANa-co-SSNa)),并与阳离子壳聚糖(CS)络合,制备了可分散的P(AANa-co-SSNa)/CS PEC及其均质膜。所得P(AANa-co-SSNa)/CS SPEC-0.30膜分离10.0 wt%水-乙醇料液(pH2.0,50℃)时,膜的透过液中水浓度为72.00wt%,高于单一弱酸离子络合物膜(60.00 wt%)。 接枝法将羧甲基纤维素硫酸化,得到含硫酸基团的双阴离子羧甲基纤维素(SCMC),并分别与阳离子CS和PDDA,制备了可分散的SCMC/CS和SCMC/PDDA两种PECs及其均质膜。该类络合物膜用于乙醇脱水时,PV渗透性高与在低pH下的分离性好,且两者均随硫酸基团的含量增加而升高。所得SCMC/CS SPEC-0.35膜分离10.0 wt%水-乙醇的料液(pH2.0,50℃)时,膜的透过液中水浓度达95.80 wt%,远高于单一弱酸离子络合物膜(60.00 wt%)。SCMC/PDDA SPEC-0.34膜分离10.0 wt%水-乙醇料液(pH7.0,70℃)时,渗透通量和透过液中水浓度分别高达1760 g/m2h和98.71 wt%。SCMC/CS SPEC-0.35膜分离25.0wt%水-乙醇料液(pH7.0,50℃)时,膜的渗透通量和透过液中水浓度分别高达2500 g/m2h和98.20 wt%。 采用去质子化-硫酸化法,将去质子化的阳离子CS与含弱酸基团的阴离子CMC络合后进行硫酸化,制备了可分散的S-CMC/CS PEC及其均质膜。所得S-CMC/CS PECS-0.20膜分离10.0wt%水-乙醇料液(pH2.0,50℃)时,膜的透过液中水浓度为96.70wt%,远高于原始的单一弱酸离子络合物膜(60.00 wt%)。该膜分离10.0w t%水-乙醇料液(pH7.0,70℃)时,膜的渗透通量和透过液中水浓度分别为1385 g/m2 h和99.43 wt%,当S-CMC/CS PECS-0.20膜分离25.0wt%水-乙醇料液(pH7.0,50℃)时,膜的渗透通量和透过液中水浓度分别为2985g/m2 h和97.50 wt%,都高于原始的单一弱酸离子络合物膜。 采用去质子化-硫酸化法,将去质子化的阳离子CS与含强酸基团的阴离子络合后进行硫酸化,制备了可分散的S-PVS(DSS、PSSNa)/CS PEC及其均质膜。所得S-DSS/CS-0.49膜分离10.0wt%水-乙醇料液(pH2.0,50℃)时,膜的透过液中水浓度高达99.78 wt%。该膜分离10.0 wt%水-乙醇料液(pH7.0,70℃)时,渗透通量和透过液中水浓度分别为2100 g/m2 h和99.58wt%,当水-乙醇料液中的水浓度升至25.0 wt%(pH7.0,50℃)时,膜的透过液中水浓度仍保持98.60wt%,渗透通量高达3800 g/m2 h。 与络合的硫酸基团比较,未络合的硫酸基团可有效提高PECM的亲水性和对水的吸附选择性,进而增加膜的PV渗透性和分离性。如含未络合硫酸基团的S-CMC/CS PECS-0.20膜,分离10.0wt%水-乙醇料液(pH7.0,50℃)时,PV渗透通量是原始的2.2倍,而只引入络合硫酸基团的SCMC/CS SPEC-0.35膜的渗透通量仅为原始的1.4倍,且含未络合强酸基团PECM的选择性高于仅含络合强酸基团膜。PECM的耐水性主要由络合的强酸基团数决定,而PECM的耐酸性由络合和未络合强酸基团数目共同决定。PECM中的络合和未络合强酸基团可有效地提高膜的力学性能和水合能力。络合强酸基团可有效地提高膜的PECM的力学强度。如硫酸化PEC(S-DSS/CS-0.49)膜力学强度高达102.2 MPa,可与有机-无机杂化材料相媲美。未络合强酸基团能有效地提高PECM的韧性和水合能力。