酸性有机物/水体系渗透汽化膜的制备及其性能研究

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渗透汽化(PV)技术与精馏、萃取等传统分离方法相比具有能耗低、分离效率高、绿色环保等优势,近年来一直受到广泛关注。但在酸性条件下,如酸性乙醇脱水、乙酸脱水、酯化反应耦合脱水等,膜的分离选择性和稳定性会受到严重影响。因此,制备具有高选择性、高通量以及耐酸稳定性的渗透汽化膜具有重要的现实意义。本论文选用具有耐酸亲水性膜材料,利用层层自组装方法制备耐酸性能好的优先透水复合膜,并考察了复合膜对酸性条件下醇/水体系的分离性能。首先,在有机基底聚丙烯腈(PAN)上利用动态层层自组装法制备了海藻酸钠与聚乙烯亚胺((SA/PEI)1.5/PAN)复合膜,并应用于pH=3的乙醇/水体系渗透汽化分离。采用Zeta电位、紫外-可见分析(UV-Vis)和椭偏仪分析复合膜的生长过程,利用扫面电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、傅立叶红外(FT-IR)等手段对复合膜表面形貌和微观结构进行了表征,证明PEI和SA发生离子交联形成了致密膜。利用接触角仪(CA)和溶胀度(DS)测试膜对水的亲和性。考察了组装层数、海藻酸钠浓度、料液pH值等成膜条件和操作条件对复合膜分离性能的影响。结果表明,当PEI浓度为0.25 wt%,SA浓度为0.375 wt%,组装层数为1.5层,进料液中水含量10 wt%,复合膜的性能达到最优,透过液水含量为99.42 wt%(α=1542),渗透通量为1.203 kg/m2h(pH=3,60℃)。其次,对NaA分子筛膜进行表面改性,采用浸渍法将海藻酸钠组装到NaA分子筛膜表面,并用CaCl2交联构筑(SA/CaCl24/NaA改性膜,应用于酸性条件下的乙醇/水体系分离。采用SEM、EDX、FT-IR、XRD、纳米压痕等分析方法对改性膜表面形貌、晶体结构及力学性能进行表征,分析结果表明在NaA膜表面成功组装上一层致密的耐酸分离层。考察了海藻酸钠浓度、组装方式、组装层数、料液pH值、操作温度等条件对改性膜分离性能的影响。结果表明,当SA浓度为1 wt%,CaCl2浓度为0.1 mol/L,交替组装4层,在操作温度为75℃时分离pH=2的90 wt%乙醇/水体系,改性膜性能达到最优,透过液水含量为99.94wt%(α=14991),渗透通量为666 g/m2h。进一步考察操作温度和料液的pH值,改性膜仍具有稳定的分离性能,并将其与未改性的NaA分子筛膜的渗透汽化性能对比,证明改性后的Na A分子筛膜其耐酸性能有了显著提高。
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