基于聚膦腈渗透汽化膜的制备及分离性能研究

摘要

渗透汽化作为一类新兴的膜分离技术,具有高分离性能、经济、安全和环保等显著的优点。近二十年来,亲有机物渗透汽化在环境保护、化学品回收及重要化学物提取等领域取得了良好的效果并得到极大的关注,然而现有的亲有机物聚合物基体材料和膜材料还存在不同程度的缺陷,特别是对极性有机物选择性不理想。开发和研究新型亲有机物渗透汽化膜材料是一条重要的提高分离性能的途径,对于探索材料分子结构与分离性能的关系同样具有重大意义。聚膦腈是一类新型的无机/有机聚合物,其中线性聚膦腈和以环膦腈为组成单元的聚膦腈在渗透汽化中具有潜在的应用价值。线性聚膦腈具有良好的分子结构可设计性,具有很好的主链柔顺性和成膜能力,是性能优异的亲有机物渗透汽化膜基体材料并为提高分离性能和研究结构性能关系提供了绝佳的条件。而交联环膦腈聚合物较一般的无机材料具有更好的亲有机物性质,可以作为亲有机物的膜填料,提高聚合物膜的分离性能。因此膦腈类聚合物在渗透汽化膜中的不同层面都有可能起到积极的作用,对该领域的研究具有重要的理论意义和应用价值。
　　 首先制备了一种典型的聚膦腈膜:乙氧基,邻烯丙基苯氧基和苯氧基混合取代聚膦腈膜并系统研究了制备条件对渗透汽化性能的影响。制备了更适合于渗透汽化的复合膜,采用尼龙微孔膜作为聚膦腈的载体,以甲苯为聚膦腈溶剂,水为微孔填充剂形成复合膜,该复合膜具有良好的机械稳定性,使用寿命长。详细研究了氧气、引发剂、交联温度和时间对膜性质的影响,进而优化了制备条件。根据以上结果总结了具体的交联机理。最后研究了膜溶解性和溶胀性能与分离性能间的关系,通过交联明显提高了分离膜的分离选择性,与非交联膜相比,交联膜对5％乙醇、丙酮和四氢呋喃的分离系数分别提高了0.9、4.8和7.8。
　　 设计并制备了分别含乙氧基,三氟乙氧基和八氟戊氧基的线性聚膦腈膜,研究了侧基分子结构对于乙醇-水混合物的渗透汽化分离性能的影响。溶胀实验表明三氟乙氧基取代聚膦腈膜具有最大的乙醇溶解能力,而八氟戊氧基取代聚膦腈膜具有最大的憎水能力,通过极性和非极性溶解度参数的分析很好地解释了溶胀现象。渗透汽化结果表明三氟乙氧基取代聚膦腈膜分离性能最好,主要来自于其最好的扩散选择性。对于40℃,10％乙醇水溶液,分离系数可达6.1,而渗透流量达到260 g·m-2·h-1,均略好于通常硅橡胶膜的性能。而八氟戊氧基取代聚膦腈对于乙醇的溶解选择性最好,但扩散选择性差,导致了整体选择性的落后。研究结果很好地揭示了侧基极性、大小和柔顺性与分离性能的内在关系。
　　 设计并制备了不同三氟乙氧基含量的亲有机物线性聚膦腈膜,考察了它们对不同有机物-水体系包括四氢呋喃-水、丙酮-水和乙醇-水的分离性能。合成聚膦腈膜对40℃,5％乙醇水溶液、丙酮水溶液和四氢呋喃水溶液的分离系数最高分别达到7.9、24.1和30.2,明显优于聚二甲基硅氧烷膜,同时对于乙醇水溶液,聚膦腈膜还显示更高的渗透流量(273 g·m-2·h-1)。通过调整三氟乙氧基含量进一步优化了聚膦腈膜的分离性能。采用溶解度参数,玻璃化转变温度和接触角分析给予了相应的理论解释,最后研究了不同温度和有机物浓度对于渗透汽化性能的影响。
　　 设计并制备了聚二甲基硅氧烷膜/膦腈纳米管复合膜,扫描电镜证明膦腈纳米管能够在聚合物中均匀分散,溶胀实验证明膦腈纳米管的引入增大了膜对乙醇的亲和能力,溶解度参数分析说明膦腈纳米管对乙醇有很好的亲和性和对水有很好的憎水性。渗透汽化实验证明膦腈纳米管的引入同时极大地提高了分离系数和流量,最高分离系数可达10,而渗透流量提高了1倍,达到478 g·m-2·h-1。随着膦腈纳米管含量提高,分离因子提高到最大值后基本保持不变而渗透流量上升到最大值然后稍微下降。比较了不同长径比膦腈纳米管和膦腈纳米球引入到聚合物中的作用,实验表明长径比大的膦腈纳米管的作用更好。研究表明,分离系数和渗透流量的提高主要来自于乙醇在膜中的溶解能力提高,显示了有机一无机杂化纳米管亲有机物的优势。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 渗透汽化技术简介

1.2.1 渗透汽化技术的机理及特点

1.2.2 渗透汽化性能评价指标及装置

1.2.3 渗透汽化技术的研究现状与进展

1.3 膦腈化合物简介

1.3.1 聚膦腈化合物特点

1.3.2 膦腈化合物的应用

1.3.3 环膦腈聚合物的应用

1.3.4 聚磷腈在渗透汽化中的应用现状

1.4 本研究的目的和内容

参考文献

第二章 线性聚膦腈渗透汽化膜的制备

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂及处理

2.2.2 线性聚二氯膦腈的合成

2.2.3 PAEPP的制备

2.2.4 PAEPP膜的制备和交联

2.2.5 表征实验和技术

2.2.6 交联聚合物的溶胀和溶解度测试

2.2.7 渗透汽化实验

2.3 结果和讨论

2.3.1 线性聚磷腈制备

2.3.2 聚合物膜制备

2.3.3 交联PAEPP的表征

2.3.4 氧气的影响

2.3.5 时间和温度的影响

2.3.6 引发剂的影响

2.3.7 交联机理

2.3.8 交联行为及对渗透汽化性能的影响

2.4 本章小节

参考文献

第三章 不同亲有机物侧基聚膦腈的制备及其渗透汽化分离乙醇水溶液的性能研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂及处理

3.2.2 聚合物的合成

3.2.3 POP膜的制备

3.2.4 PDMS及其膜制备

3.2.5 表征实验和技术

3.2.6 溶胀实验

3.2.7 渗透汽化实验

3.3 结果和讨论

3.3.1 聚合物表征和膜的制备

3.3.2 溶胀实验

3.3.3 溶解度参数分析

3.3.4 渗透汽化性能

3.5 本章小结

参考文献

第四章 线性聚膦腈渗透汽化性能的优化

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂及处理

4.2.2 2CF聚合物的合成

4.2.3 聚膦腈和PDMS膜的制备

4.2.4 表征实验和技术

4.2.5 溶胀和渗透汽化实验

4.3 结果与讨论

4.3.1 聚合物性质和膜制备

4.3.2 渗透汽化性能

4.3.3 溶胀测试

4.3.4 溶解度参数和接触角分析

4.4 本章小结

参考文献

第五章 聚膦腈纳米复合膜的制备及其渗透汽化分离乙醇-水的性能研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1 实验试剂及处理

5.2.2 聚合物的合成

5.2.3 聚膦腈纳米材料的制备

5.2.4 聚合物膜制备

5.2.5 表征实验

5.2.6 溶胀实验

5.2.7 渗透蒸发实验

5.3 结果与讨论

5.3.1 复合膜的表征

5.3.2 溶胀实验及溶解度参数分析

5.3.3 渗透汽化性能

5.4 本章小结

参考文献

第六章 全文总结

6.1 主要结论

6.2 本工作主要创新点

6.3 研究展望

附录一 符号缩写汇总

附录二 博士期间发表和正在发表的论文

致谢