新型亲水性有机/无机复合渗透蒸发膜的研究

摘要

有机溶剂脱水是目前渗透蒸发膜分离技术重要的应用领域，针对目前大量应用的亲水聚合物膜稳定性较差，渗透通量小的弊端，本文研制了一种新型的有机-无机复合膜。该复合膜以陶瓷膜为载体，它不仅具有无机膜机械强度大、热稳定性好及化学稳定性高的特点，而且还具备有机聚合物膜选择性高的特点，是一种很有发展前途的亲水性渗透蒸发分离膜。论文用硅胶粒子和单晶硅片作为参照物，用FTIR，TGA，XPS，SEM，AFM表面接触角测定仪，椭偏激光仪等方法系统研究了偶联和接枝反应的条件对复合膜性质的影响。复合膜的超薄分离层是由共价接枝在无机膜上的聚合物链组成的。本文着重探讨了单体浓度对反应产物的影响，研究表明，随着接枝单体浓度的增加，膜表面的接枝率增加，接枝层厚度增加，膜的渗透通量减小，分离选择性增大。论文同时研究了溶液浓度和操作温度的变化对膜的分离性能的影响，并对复合膜的分离机理做了初步的探讨。论文首次在不含有机模板剂的Na2O-SiO2-Al2O3-NaCl-H2O系统中，以堇青石为载体，以水玻璃和准一水软铝石为原料，用水热法合成了ANA沸石膜。研究水含量、反应温度、反应时间与多次合成对膜结晶的影响。堇青石负载方沸石膜在对95％乙醇水溶液的渗透蒸发实验中，水优先透过沸石膜的选择性显示了晶间孔的醇/水分离作用。论文对制成的ANA沸石膜表面用乙烯基硅烷处理，继而用丙烯酸进行表面接枝改性，改性后的沸石膜显示了优良的醇水分离性能。论文采用低温气相沉积和原位水热转晶的方法在堇青石载体表面合成了ZSM-5沸石膜。EDX表征显示该ZSM-5膜硅铝比较低，膜制备过程中从堇青石载体中溶解在沸石层中的Al使膜具有良好的亲水性。本文详细考察了ZSM-5沸石膜对几种醇/水体系的渗透蒸发性质，并对该膜的传质机理进行了探讨。论文还通过动力沉积成膜的方法，用极稀的亲水高聚物溶液对ZSM-5沸石膜的缺陷进行了原位动态修复。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1聚合物渗透蒸发膜

1.2无机膜

1.3无机/有机复合膜

1.4本论文选题背景和工作思路

1.5本论文主要研究内容

参考文献

第二章基本原理

2.1无机陶瓷膜的表面改性

2.2聚合物刷的研究进展

2.2.1聚合物刷的应用和特点

2.2.2共价键合的聚合物刷合成方法

2.3接枝高分子表面结构及链行为

2.4渗透蒸发原理

参考文献

第三章无机微孔SiO2膜的合成

3.1实验部分

3.1.1实验试剂

3.1.2仪器

3.1.3 SiO2膜的制备过程

3.2 SiO2膜的表征

3.2.1 XRD表征

3.2.2 Reflex-IR表征

3.2.3 SEM对SiO2膜表面形貌的观察

3.2.4 SiO2膜厚的EDX表征

3.3结论

参考文献

第四章无机微孔膜表面硅烷化改性

4.1实验部分

4.1.1实验试剂

4.1.2 SiO2粉末样品的硅烷化反应及其表

4.1.3 SiO2微孔膜的硅烷化反应及其表征

4.1.4单晶硅片的硅烷化反应及其表征

4.2结果与讨论

4.2.1粉末样品的红外表征

4.2.2反应时间对偶联度的影响

4.2.3反应温度对偶联度的影响

4.2.4陶瓷膜和硅片表面硅烷化处理后接触角的变化

4.2.5硅烷层厚度的测量

4.2.6 SiO2陶瓷膜硅烷化前后的SEM观察

4.2.7 SiO2膜硅烷化前后的AFM观察

4.2.8单晶硅片表面形态的AFM观测

4.3结论

参考文献

第五章 亲水聚合物/SiO2复合膜的制备

5.1聚丙烯酸/SiO2复合膜的研制

5.1.1实验部分

5.1.2结果与讨论

5.2聚丙烯酰胺/SiO2复合膜的合成

5.2.1实验部分

5.2.2结果与讨论

5.3结论

参考文献

第六章 复合膜渗透蒸发性质的研究

6.1实验部分

6.1.1实验装置

6.1.2接枝聚合反应前后载体的纯水通量变化

6.2结果与讨论

6.2.1 PAM/SiO2复合膜的渗透蒸发性质

6.2.2 PAA/SiO2复合膜的渗透蒸发性质

6.2.3接触角分析和AFM对PAA/SiO2膜在不同表面溶胀行为的研究

6.3结论

参考文献

第七章 方沸石(ANA)膜的合成及有机接枝改性

7.1实验部分

7.2结果与讨论

7.2.1 ANA沸石膜的合成

7.2.2方沸石膜结晶的XRD表征

7.2.3方沸石膜的形态的SEM观察

7.2.4方沸石膜的EDX表征

7.2.5方沸石膜的渗透蒸发性质

7.2.6有关沸石膜改性的文献工作

7.2.7方沸石膜的有机接枝改性

7.3结论

参考文献

第八章 ZSM-5沸石膜的渗透蒸发性质研究及沸石膜的原位修补

8.1沸石膜的分离机理

8.2.实验部分

8.2.1原料

8.2.2 ZSM-5沸石膜的合成

8.1.3沸石膜结构表征

8.3.结果与讨论

8.3.1沸石膜的XRD表征

8.3.2沸石膜的表面和断面形态

8.3.3 Si/Al比随膜厚的变化

8.3.4沸石膜的渗透蒸发性能

8.4 ZSM-5沸石膜的原位修复

8.4.1修复实验

8.4.2修复膜的SEM照片

8.4.3沸石膜修复过程中通量的变化

8.5沸石膜修复后的渗透蒸发性质

8.6结论

参考文献

结论

Publication

致谢

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