PDMS/PVDF复合膜的优化制备及其生物丁醇分离应用

摘要

近年来，传统化石燃料的短缺及其带来的环境污染问题日益严重，生物发酵法生产生物丁醇成为研究者们关注的重点。由于当前的ABE发酵法中产物丁醇对菌株有抑制作用，丁醇产率较低。所以本文以降低丁醇抑制作用和提高丁醇分离产率为目的，利用渗透汽化膜分离技术，意在之后的发酵分离耦合实验中提高产物丁醇的生产效率。 选择合适的渗透汽化膜是渗透汽化技术的关键。由于纯的PDMS均质膜存在机械性能和成膜性差的缺点，本文通过喷涂技术以PVDF为支撑层制备了PDMS/PVDF复合膜，旨在保证膜机械性能的前提下提高丁醇的分离效率。本文依次探究了交联剂用量和PDMS黏度对复合膜渗透汽化性能的影响，并利用响应面分析法进一步探究了PDMS浓度(wt.%)和喷涂时间对复合膜渗透汽化性能的影响，并且探讨两者存在的交互影响，经过改变制膜条件制备分离性能较好的复合膜。 为了更好研究复合膜的分离性能和分析复合膜的结构特征，辅以扫描电镜、红外光谱和能量色散X射线光谱等表征。最终得出该复合膜表面平滑均匀、致密无缺陷，复合膜断面中PDMS选择层与支撑层结合紧密良好，没有明显的分层和渗漏现象产生。从红外光谱图发现，5种不同分子量制备的复合膜均发生了明显的交联反应，并在质量比PDMS∶TEOS=1∶0.3处PDMS与TEOS交联程度最好。通过对复合膜的能谱分析，发现超滤膜比微滤膜更适合做支撑层，超滤膜中PVDF膜具有疏水性能好、热稳定性能好等优点更适合做支撑层。 以15g/L的丁醇水溶液为待分离原料液，按顺序探究交联剂用量和PDMS黏度对复合膜分离性能的影响。其中交联剂用量实验得出的结论与红外光谱得出的结论相吻合，即交联剂用量为0.3(TEOS与PDMS质量比)时的复合膜分离效果最好，其渗透通量和分离因子分别为213.8g/(m2·h)和38.9。随着PDMS黏度的增加，复合膜的分离因子增大，渗透通量降低，并且在PDMS粘度为15.5万cst时分离因子达到最大，为51.1。之后在原料液基础上，测试了其温度、浓度对PDMS/PVDF复合膜分离性能的影响，结果为温度、浓度增加，总通量均增大，分离因子均先增加后减小。 最后，为了更接近发酵分离耦合实验，探索了ABE水溶液和发酵液对复合膜分离性能的影响。最终得出发酵液为原料液时，丁醇的选择性略有提高。并且发现以发酵途中接近丁醇抑制时刻时的7g/L丁醇水溶液为原料液时，经膜分离实验达到的丁醇浓度为0.41g/h，说明此膜可以用于丁醇发酵耦合，并对其有一定的价值。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 生物丁醇

1.2 ABE发酵法生产丁醇面临的挑战

1.2.1 原料成本

1.2.2 丁醇耐受性

1.2.3 丁醇分离成本

1.3 生物丁醇分离技术—渗透汽化

1.4 渗透汽化膜材料

1.4.1 均质膜

1.4.2 非对称膜

1.4.3 复合膜

1.5 渗透汽化复合膜的制备方法

1.6 制膜条件优化方法

1.7 课题的目的及意义

2 PDMS/PVDF复合膜的制备及条件优化

2.1 引言

2.2 实验材料

2.2.1 主要实验仪器

2.2.2 主要实验试剂和材料

2.3 实验方法

2.3.1 PDMS/PVDF复合膜的制备

2.3.2 渗透汽化实验及分析与测定方法

2.3.3 渗透汽化分离性能的评价指标

2.3.4 单因素实验设计

2.3.5 响应面优化试验设计

2.4 结果与讨论

2.4.1 交联剂用量对PDMS/PVDF复合膜分离性能的影响

2.4.2 PDMS黏度对PDMS/PVDF复合膜分离性能的影响

2.4.3 PDMS浓度与喷涂时间对PDMS/PVDF复合膜分离性能的影响

2.4.4 优化条件下响应值的验证

2.5 本章小结

3 PDMS/PVDF复合膜的表征

3.1 引言

3.2 实验材料

3.2.1 实验仪器

3.2.2 实验试剂和材料

3.3 PDMS/PVDF复合膜的制备

3.4 PDMS/PVDF复合膜的表征

3.4.1 扫描电镜测试

3.4.2 红外光谱测试

3.4.3 能量色散X射线光谱

3.5 结果与讨论

3.5.1 扫描电镜分析

3.5.2 红外光谱分析

3.5.3 EDX线扫分析

3.6 本章小结

4 PDMS/PVDF渗透汽化复合膜的分离性能研究

4.1 引言

4.2 实验材料

4.2.1 实验菌株

4.2.2 实验仪器

4.2.3 实验试剂

4.3 实验方法

4.3.1 培养基的配置及菌种培养

4.3.2 渗透汽化实验

4.3.3 分析方法

4.3.4 渗透汽化分离性能的评价指标

4.4 结果与讨论

4.4.1 PDMS分离层膜厚对PDMS/PVDF复合膜分离性能的影响

4.4.2 原料液温度对PDMS/PVDF复合膜分离性能的影响

4.4.3 原料液浓度对PDMS/PVDF复合膜分离性能的影响

4.4.4 ABE溶液和发酵液对PDMS/PVDF复合膜分离性能的影响

4.5 本章小结

结论

展望

参考文献

致谢

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