生物启发下界面聚合制备聚酰胺渗透蒸发膜及乙醇脱水性能的研究

摘要

随着节能和低碳环保成为世界性的主题，可再生、新型、清洁能源成为了全世界各国研究的焦点。燃料乙醇成为了替代新能源的代表。而乙醇脱水是其工业生产中的关键步骤。在已工业化的乙醇脱水工艺中，渗透蒸发技术具有条件温和，流程简单，能耗较低，环境友好等优点。而渗透蒸发膜分离技术的关键是研制高性能的渗透蒸发膜。
　　本论文针对渗透蒸发复合膜中分离层与支撑层结合强度低溶胀后易剥离乃至脱落等问题，基于仿生聚多巴胺辅助的表面改性的方法，通过界面聚合制备了性能优良的新型渗透蒸发复合膜材料，并对其结构和性能进行表征。本文的研究内容主要包括以下三个部分：
　　1、以聚醚砜为基膜，对其进行多巴胺改性，通过研究多巴胺溶液浓度、改性时间对基膜水接触角的影响，寻找最佳的工艺条件。红外光谱分析和X射线光电子能谱分析结果表明基膜表面含有多巴胺极性官能团，扫描电子显微镜表征结果表明在聚醚砜基膜表面附着了一层聚多巴胺薄层。
　　2、以聚乙烯亚胺和均苯三甲酰氯为单体，采用界面聚合法在多巴胺改性的聚多巴胺膜上制备聚酰胺渗透蒸发复合膜。红外光谱仪对所制备的膜的化学结构进行了表征。扫描电镜对复合膜的表面形态进行了表征。红外谱图中出现了酰胺的特征峰，而扫描电镜结果说明在多巴胺改性后的基膜表面复合了一层致密的聚酰胺活性层。
　　以渗透通量和分离因子为评价指标，研究了界面聚合过程条件对膜分离性能的影响。主要研究了界面聚合过程中水相单体分子量、水相单体浓度、有机相单体浓度以及反应时间等成膜工艺条件对制备的复合膜分离性能的影响。实验结果表明，制备聚酰胺渗透蒸发复合膜的最佳工艺条件是：最佳水相单体PEI分子量为600，最佳水相单体浓度为4 wt％，最佳有机相单体浓度为2.5 wt%，最佳反应时间为10min。
　　3、以聚多巴胺为水相单体，均苯三甲酰氯为有机相单体，在聚醚砜基膜表面进行界面聚合制备了PDA-TMC/PES复合膜；再以聚乙烯亚胺和均苯三甲酰氯为单体，在PDA-TMC层表面进行二次界面聚合，制备了性能优良的和渗透蒸发复合膜。红外光谱仪和X射线光电子能谱对所制备膜的化学结构和表面元素组成进行表征。扫描电镜对复合膜的表面形态进行表征。两次界面聚合红外谱图中都出现了酰胺的特征峰，一次界面聚合X射线光电子能谱分峰结果中O=C-O的出现证明了聚多巴胺中酚羟基和TMC进行了反应。而扫描电镜结果表明在PDA/PES基膜表面的界面聚合过程使得膜厚度逐步增加，由此证明了两次界面聚合都生成了致密的聚酰胺活性层。
　　以渗透通量和分离因子为评价指标，研究了界面聚合过程的条件对膜分离性能的影响。主要考察了一次界面聚合过程中有机相单体浓度以及反应时间；二次界面聚合反应中水相单体分子量，水相单体/有机相单体浓度比等成膜工艺条件对制备的复合膜分离性能的影响.实验结果表明，制备PDA-TMC/PES聚酰胺渗透蒸发复合膜的最佳工艺条件是：最佳有机相单体浓度为3.6 wt%，最佳反应时间为1min；制备PEI-TMC/PDA-TMC/PES复合膜的最佳工艺条件为：最佳水相单体PEI分子量为1800，最佳水相单体/有机相单体浓度比为5：1（有机相浓度为0.8 wt%），此时PEI-TMC/PDA-TMC/PES复合膜具有最优的分离性能：渗透通量为1667g/(m2·h)，分离因子为886（原料液浓度：90 wt%乙醇，操作温度：30℃）。