基于聚(4-乙烯基吡啶)季胺盐的聚电解质络合物膜制备与渗透汽化性能研究

摘要

渗透汽化具有清洁、高效和节能等优点，在有机物脱水、水脱有机物和有机/有机混合物分离等领域有广阔的应用前景。对于渗透汽化脱水膜而言，膜材料的亲水性与稳定性至关重要。聚电解质络合物作为一种具有良好亲水性和机械性能的材料，在渗透汽化脱水领域越来越受重视。本文制备了可溶性聚电解质络合物及其均一膜，研究了膜结构与渗透汽化性能的内在规律，对膜分离机理进行了探讨。
　　 选用聚(N-烷基-4-乙烯基吡啶)盐(PAVP)与羧甲基纤维素钠(CMCNa)分别作为聚阳离子与聚阴离子，获得了可溶性聚电解质络合物(PECs)。通过调节PAVP季胺化试剂的烷基碳原子数目，获得了带有不同烷基碳链的PEC；通过调节PAVP季胺化程度以及CMCNa上-COO-基团含量，调控了PEC的离子络合程度(ICD)。利用元素分析、红外光谱和热重分析(TGA)对PAVP季胺化程度、PEC离子络合度和热稳定性进行了表征。
　　 利用溶液铸膜法制备了PEC的均一膜(PECM)，并将其应用于渗透汽化醇脱水。结果表明，随着聚(4-乙烯基吡啶)分子量的提高，渗透通量下降而分离因子上升；随着PEC上烷基碳链长度的增长，渗透通量上升而分离因子下降。选用低分子量的溴乙烷季胺化聚(4-乙烯基吡啶)(PEVP)作为聚电解质阳离子，考察了相应PEC稀溶液的粘度性质，测量了相应PECM的溶胀度与水接触角，并利用场发射扫描电子显微镜(FSEM)与原子力显微镜(AFM)对膜表面形貌进行了研究。PECM在应用于乙醇-水体系的渗透汽化脱水过程中时，表现出优异的分离性能。随着离子络合度(ICD)的增大，渗透通量上升而分离因子下降。进一步的研究表明，这种优异性能与变化规律，均与PECs性质以及PECM内特殊的PECs聚集体结构有关。

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致谢

第1章绪论

1.1渗透汽化

1.1.1特点

1.1.2基本原理

1.1.3性能影响因素

1.1.4应用

1.2聚电解质在渗透汽化脱水中的应用

1.3聚电解质络合物

1.3.1制备

1.3.2结构与性质

1.3.3应用

1.4.4渗透汽化膜的制备

1.4课题的提出及研究内容

1.4.1课题的提出

1.4.2研究内容

第2章聚(N-烷基-4-乙烯基吡啶)盐的合成与表征

2.1主要试剂与仪器

2.1.1实验试剂

2.1.2实验仪器

2.2表征方法

2.2.1红外光谱

2.2.2元素分析

2.2.3粘均分子量测定

2.2.4热重分析

2.3聚(4-乙烯基吡啶)的合成与表征

2.3.1原料与引发剂的纯化与精制

2.3.2 4-乙烯基吡啶的聚合

2.3.3粘均分子量的测定

2.3.4红外图谱

2.4不同长度烷烃链季胺化P4VP(PAVP)的合成与表征

2.4.1季胺化反应

2.4.2红外图谱

2.4.3热力学稳定性分析

2.5不同季胺化程度P4VP的合成与表征

2.5.1不同季胺化程度P4VP的合成

2.5.2元素分析

2.5.3红外图谱

2.6小结

第3章PAVP-CMCNa络合物膜的制备、表征及渗透汽化性能

3.1主要试剂与仪器

3.1.1实验试剂

3.1.2实验仪器

3.2带有不同烷烃链长度的PAVP-CMCNa的制备

3.3聚电解质络合物膜的制备

3.4表征方法

3.4.1电导率的测定

3.4.2元素分析

3.4.3红外光谱

3.4.4静态水接触角测定

3.4.5膜的溶胀度的测定

3.4.6渗透汽化测试

3.5 PAVP-CMCNa及其膜的表征

3.5.1电导率

3.5.2元素分析

3.5.3红外图谱

3.5.4水接触角

3.5.5溶胀度

3.6渗透汽化性能

3.6.1渗透汽化稳定性

3.6.2料液温度的影响

3.6.3 P4VP分子量的影响

3.6.4 PAVP侧链烷烃链长度的影响

3.7小结

第4章PEVP-CMCNa络合物膜制备、表征及渗透汽化性能

4.1主要试剂与仪器

4.1.1实验试剂

4.1.2实验仪器

4.2 PEVP-CMCNa的合成及膜的制备

4.3表征方法

4.3.1粘度测定

4.3.2原子力显微镜

4.3.3场发射扫描电子显微镜

4.3.4其它

4.4 PEVP-CMCNa及其膜的表征

4.4.1 TGA

4.4.2粘度

4.4.3原子力显微镜

4.4.4扫描电子显微镜

4.4.5水接触角

4.4.6溶胀度

4.5渗透汽化

4.5.1离子络合程度的影响

4.5.2料液水含量的影响

4.5.3料液温度的影响

4.5.4不同膜对于乙醇PV脱水性能对比

4.6小结

全文总结

论文主要创新点

参考文献

作者简历