基于表面偏析和粘合制备高性能渗透蒸发脱水复合膜

论文摘要

以提高复合膜结构稳定性和分离性能为目标，将表面偏析技术和相转化方法用于复合膜基膜亲水表面的构建；将天然粘合剂瓜尔豆胶和合成粘合剂聚卡波非粘合剂引入复合膜，制备出具有高稳定性和高分离性能乙醇水分离复合膜。利用表面偏析方法和相转化过程构建了亲水表面磺化聚醚砜（SPES）-聚醚砜（PES）基膜，将壳聚糖（CS）涂覆于基膜之上制备了CS/SPES-PES复合膜。X-射线光电子能谱（XPS）和接触角表征发现SPES经过表面偏析在基膜表面富集。T-型剥离数据显示基膜亲水改性后和分离层的界面粘合强度较改性前提高近5倍。SPES磺化时间为3h，基膜中含量为40wt.%，CS交联时间为6h，原料液流量为60L h-1，下游侧压力为0.33kPa，在353K温度下渗透蒸发分离水含量为10wt.%的乙醇水溶液，CS（6）/SPES（40-3）-PES复合膜的渗透通量为1394g m-2h-1，对应分离因子为376。对CS/SPES-PES复合膜进行了长期稳定性实验表明基膜亲水表面的构建增强了复合膜的结构稳定性与性能稳定性。利用天然粘合剂瓜尔豆胶（GG）在天然胶中粘度最大和合成粘合剂聚卡波非（PCP）聚阴离子聚合物的特性，分别将GG和PCP作为过渡粘合层引入壳聚糖/聚丙烯腈（CS/PAN）复合膜中，制备了CS/GG/PAN、CS/PCP/PAN复合膜。高倍电镜显示GG、PCP层厚度约为30-50nm，接触角显示GG、PCP起到过渡作用，增强界面的相容性。T-型剥离数据显示引入GG、PCP过渡粘合层后界面粘合强度较未引入时分别提高约1.25、1.5倍，尤其在载荷初期，较未引入粘合层的复合膜展现了良好的抗剥离性能。GG浓度为1wt.%，原料液流量为60L h-1，下游侧压力为0.33kPa，在353K温度下渗透蒸发分离水含量为10wt.%的乙醇水溶液，CS/GG（1wt.%）/PAN复合膜的渗透通量为1011g m-2h-1，对应分离因子为1775；PCP浓度为0.05wt.%时，在同等操作条件下，CS/PCP（0.05wt.%）/PAN复合膜的通量为1390g m-2h-1，对应分离因子为1279，对CS/GG（1wt.%）/PAN、CS/PCP（0.05wt.%）/PAN复合膜进行了长期稳定性实验表明粘合层的引入增强了复合膜的结构稳定性与性能稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 燃料乙醇生产现状
• 1.2 渗透蒸发膜分离技术
• 1.2.1 渗透蒸发技术简介
• 1.2.2 渗透蒸发技术分离乙醇水现状
• 1.3 渗透蒸发膜
• 1.3.1 渗透蒸发膜材料
• 1.3.2 渗透蒸发膜分类
• 1.3.3 复合膜存在的问题及解决办法
• 1.4 相转化过程和表面偏析技术
• 1.4.1 相转化过程简介
• 1.4.2 表面偏析技术简介
• 1.5 粘合剂概述
• 1.5.1 粘合剂的发展简史
• 1.5.2 粘合剂分类
• 1.5.3 粘合机理在渗透蒸发复合膜中的应用
• 1.6 论文选题与研究思路
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验材料与实验仪器
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 膜的表征手段
• 2.2.1 场发射扫描电镜（FESEM）
• 2.2.2 红外光谱（FT-IR）
• 2.2.3 T-型剥离实验（T-peel）
• 2.2.4 接触角测试
• 1H-NMR核磁共振光谱'>2.2.5¹H-NMR核磁共振光谱
• 2.2.6 X-射线光电子能谱（XPS）
• 2.2.7 慢正电子湮没寿命谱
• 2.3 渗透蒸发实验
• 2.3.1 实验装置
• 2.3.2 实验流程
• 2.3.3 实验评价指标
• 第三章 CS/SPES-PES 复合膜的制备及脱水性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2 CS/SPES-PES复合膜的制备
• 3.2.1 SPES 的制备
• 3.2.2 SPES-PES 基膜的制备
• 3.2.3 CS/SPES-PES 复合膜的制备
• 3.3 CS/SPES-PES复合膜的物化性质与结构表征
• 3.3.1 SPES 磺化度分析
• 3.3.2 CS/SPES-PES 复合膜的形貌表征
• 3.3.3 CS/SPES-PES 复合膜的红外光谱表征
• 3.3.4 SPES-PES 基膜的表面组成分析
• 3.3.5 SPES-PES 膜的亲水性能分析
• 3.3.6 CS/SPES-PES 复合膜的界面粘合强度分析
• 3.4 CS/SPES-PES复合膜渗透蒸发乙醇脱水性能的研究
• 3.4.1 SPES 浓度对渗透蒸发乙醇脱水性能的影响
• 3.4.2 交联度对渗透蒸发乙醇脱水性能的影响
• 3.4.3 SPES 磺化度对渗透蒸发乙醇脱水性能的影响
• 3.4.4 热处理温度对渗透蒸发乙醇脱水性能的影响
• 3.4.5 操作温度对渗透蒸发乙醇脱水性能的影响
• 3.4.6 原料液水含量对渗透蒸发乙醇脱水性能的影响
• 3.5 长期稳定性研究
• 3.6 小结
• 第四章 CS/GG/PAN 复合膜的制备及脱水性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 CS/GG/PAN复合膜的制备
• 4.3 CS/GG/PAN复合膜的表征
• 4.3.1 CS/GG/PAN 复合膜的 FESEM 表征
• 4.3.2 CS/GG/PAN 复合膜的 FT-IR 表征
• 4.3.3 CS/GG/PAN 复合膜的接触角表征
• 4.3.4 CS/GG/PAN 复合膜的 T-型剥离实验
• 4.4 渗透蒸发结果及讨论
• 4.4.1 GG 浓度对复合膜渗透蒸发性能的影响
• 4.4.2 热处理温度对复合膜渗透蒸发性能的影响
• 4.4.3 操作温度对复合膜渗透蒸发的影响
• 4.4.4 原料液乙醇浓度对复合膜渗透蒸发的影响
• 4.5 长期稳定性研究
• 4.6 小结
• 第五章 CS/PCP/PAN 复合膜的制备及脱水性能的研究
• 5.1 引言
• 5.2 CS/PCP/PAN复合膜的制备
• 5.3 CS/PCP/PAN复合膜的表征
• 5.3.1 CS/PCP/PAN 复合膜的 FESEM 表征
• 5.3.2 CS/PCP/PAN 复合膜的 FT-IR 表征
• 5.3.3 CS/PCP/PAN 复合膜的接触角表征
• 5.3.4 CS/PCP/PAN 复合膜的 T-型剥离实验
• 5.3.5 CS/PCP/PAN 慢正电子自由体积特性表征
• 5.4 渗透蒸发性能结果与讨论
• 5.4.1 PCP 浓度对复合膜渗透蒸发的影响
• 5.4.2 热处理温度对复合膜渗透蒸发的影响
• 5.4.3 操作温度对复合膜渗透蒸发的影响
• 5.4.4 原料液乙醇浓度对复合膜渗透蒸发的影响
• 5.5 长期稳定性研究
• 5.6 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文及参与科研情况说明
• 发表、投稿论文
• 申请发明专利
• 参加学术会议
• 参与科研情况
• 致谢