面向碳酸二甲酯/甲醇混合物分离的渗透汽化膜及其过程研究

摘要

本文研究了再生废弃氯碱膜(PFIEM)、高分子膜聚乙烯醇(PVA)-全氟磺酸(PFSA)/聚丙烯腈(PAN)中空纤维复合膜以及有机无机杂化膜PVA-PFSA-正硅酸乙酯(TEOS)/PAN中空纤维复合膜的制备，并将其应用于碳酸二甲酯(DMC)/甲醇(MeOH)混合物的分离。
　　 首先，以工业废弃氯碱膜为原料，用盐酸再生液、超声波等对PFIEM进行处理后得再生膜。采用能谱仪(EDS)对再生膜进行了元素分析，结果表明，经盐酸再生后，PFIEM表面的杂质被有效去除。我们对膜的吸附和溶胀做了研究，并将再生后得到的氢型离子膜用氯化锂、氯化钠、氯化钾及氯化铯盐溶液浸泡后得到不同反离子膜，将再生离子膜做成平板膜组件后用于碳酸二甲酯(DMC)/甲醇(MeOH)混合物的分离。在渗透汽化过程中，主要探讨了不同反离子、料液中MeOH浓度以及料液温度对再生膜性能的影响。结果表明，不同反离子再生膜的溶胀及吸附选择性以如下顺序递减:Li+＞Na+＞K+＞Cs+。随着料液中MeOH浓度的增加，不同反离子再生膜的溶胀度以及吸附选择性变化为随着反离子离子半径的增加而下降。料液中MeOH浓度和料液温度的提高利于渗透通量的增大，但选择因子变小。
　　 其次，以异丙醇和水的混合液为溶剂，将盐酸再生后的离子膜高温高压溶解蒸发最后制得全氟磺酸(PFSA)颗粒。以聚丙烯腈(PAN)为底膜，以一定比例的聚乙烯醇(PVA)和全氟磺酸(PFSA)水溶液的混合液做为涂膜液，通过浸涂法制备PVA-PFSA/PAN中空纤维复合膜，用于DMC/MeOH混合物的渗透汽化分离。PAN底膜以及PVA-PFSA/PAN复合膜的表面及断面通过SEM分析，结果显示了PAN底膜与涂膜层结合良好，涂膜层的厚度与涂膜液的浓度呈线性关系。渗透汽化实验结果表明，随着涂膜液浓度的增加，渗透通量减小而选择因子逐渐增加。当涂膜液中PFSA含量增加时，渗透通量逐渐增加而选择因子减小。渗透通量会随着料液中MeOH浓度的增加而增加，而选择因子逐渐减小。料液温度从30℃增加到60℃时渗透通量逐渐增大，选择因子随着温度升高略微增大。
　　 最后，在上述PVA-PFSA混合液中加入无机组分正硅酸乙酯(TEOS)制备PVA-PFSA-TEOS/PAN中空纤维复合膜，将其制成膜组件以后用于DMC/MeOH混合物的分离。SEM图表明了PAN底膜与PVA-PFSA-TEOS涂膜层结合良好，并且涂膜层为致密光滑膜。FT-IR光谱图与XRD谱图表明了热处理温度、TEOS含量对膜的性能有不同的影响。渗透汽化实验结果表明，随着热处理温度的提高，选择因子有所增大，而渗透通量逐渐减小。当料液中MeOH浓度逐渐变大时，渗透通量由102 g·m-2·h-1增大到1086 g·m-2·h-1，选择因子从15.8减小到5.7。

目录

摘要

第一章 概述

1．1 膜分离技术

1．1．1 膜分离的定义

1．1．2 膜分离过程的分类

1．2 渗透汽化

1．2．1 渗透汽化的定义

1．2．2 渗透汽化的特点

1．2．3 渗透汽化分离机理

1．2．4 渗透汽化装置示意图

1．3 渗透汽化的应用

1．4 甲醇／有机物混合体系的分离

1．4．1 甲醇／甲基叔丁基醚混合物

1．4．2 甲醇／碳酸二甲酯混合物

1．5 膜材料的选择

1．6 本文拟开展的研究内容

第二章 工业废弃氯碱膜的再生与应用

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 药品与仪器

2．2．2 废弃膜的再生与表征

2．2．3 碳酸二甲酯／甲醇(DMC／MeOH)混合物气相色谱标准曲线的拟合

2．2．4 用于DMC／MeOH混合物的渗透汽化分离

2．2．5 吸附与溶胀

2．3 结果与讨论

2．3．1 PFIEMS的再生

2．3．2 再生PFIEM的吸附与溶胀

2．3．3 膜的方向对渗透汽化过程的影响

2．3．4 不同反离子PFIEM对渗透汽化过程的影响

2．3．5 料液中MeOH浓度对渗透汽化过程的影响

2．3．6 料液温度对渗透汽化过程的影响

2．3．7 渗透过程活化能

2．4 本章小结

第三章 PFSA-PVA／PAN中空纤维复合渗透汽化膜制备的研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 药品与仪器

3．2．2 再生全氟磺酸树脂PFSA-H的制备

3．2．3 PVA-PFSA／PAN中空纤维复合膜的制备

3．2．4 膜的表征

3．2．5 渗透汽化实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 PVA-PFSA／PAN复合膜的表征

3．3．2 FT-IR、XRD

3．3．3 涂膜液中PFSA含量对渗透汽化过程的影响

3．3．4 涂膜液浓度对渗透汽化过程的影响

3．3．5 料液中MeOH浓度对渗透汽化过程的影响

3．3．6 料液温度对渗透汽化过程的影响

3．3．7 PVA-PFSA／PAN复合膜渗透汽化分离过程的活化能

3．4 本章小结

第四章 PFSA-PVA-TEOS／PAN中空纤维膜制备的研究

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 药品与仪器

4．2．2 PVA-PFSA-TEOS／PAN中空纤维复合膜丝的制备

4．2．3 PVA-PFSA-TEOS／PAN中空纤维复合膜组件的制备

4．2．4 膜的表征

4．2．5 渗透汽化实验

4．3 实验结果

4．3．1 PVA-PFSA-TEOS／PAN复合膜的表征

4．3．2 XRD

4．3．3 热处理温度对渗透汽化过程的影响

4．3．4 料液中MeOH浓度对渗透汽化过程的影响

4．4 本章小结

第五章 全文总结

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的成果

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