改性酚酞侧基聚芳醚酮渗透蒸发膜的制备及其醋酸脱水性能研究

论文摘要

醋酸是化学工业上需求量最大的基本有机化工原料之一,醋酸-水虽然不形成恒沸物,但是二者的相对挥发度不大,特别是在醋酸的含量高于80wt%时,两者的气.液相组成相近。若用传统的精馏的方法进行分离,将消耗大量的能量,长期以来醋酸-水体系的分离问题一直受到人们的重视。渗透蒸发作为一种新型的分离技术,对于混合物中低含量（小于20wt%）的物质的脱除,在经济上是非常有利的。由于醋酸水溶液的强酸性,常用的脱水材料,如聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚碳酸酯、聚丙烯腈和海藻酸钠等,在醋酸脱水时所表现出来的性能都不太理想。基于醋酸脱水的重要的工业意义,本论文首次以耐化学溶剂性能优异的亲油性材料酚酞侧基聚醚酮（PEK-C）为膜材料,通过对其进行改性,制备醋酸渗透蒸发脱水膜。利用X一射线衍射（XRD）、红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）、差示扫描量热仪（DSC）以及接触角分析等手段对膜的微观形态进行表征,系统研究了膜的溶胀吸附、扩散以及渗透蒸发性能。利用浓硫酸对PEK-C进行磺化改性,有效地提高了膜的亲水性,通过控制磺化度可调节磺化聚芳醚酮（sPEK-C）的亲-憎水平衡,膜在醋酸水溶液中的抗溶胀性能良好。SPEK-C膜的渗透蒸发综合指数随着磺化度的增大而提高,当磺化度为0.75时,达到了极大值。利用该磺化度的膜进行醋酸渗透蒸发脱水,在进料水浓度为10wt%和进料温度为50℃,可得到通量和分离因子分别为248 gm-2h-1和103的优良性能。为了提高磺化聚芳醚酮（SPEK-C）的通量,利用对醋酸水溶液具有高通量的聚乙烯醇（PVA）与选择性高的磺化酚酞侧基聚芳醚酮（SPEK-C）共混制备了PVA/SPEK-C共混渗透蒸发膜。SEM测试结果表明PVA和SPEK-C相容性很好,XRD结果表明,膜中高分子链之间的距离随着PVA的含量的增大而增大;研究了PVA的含量对膜的性能的影响,结果表明随着PVA含量的增大,共混膜的通量随之增大,同时分离因子随之有所降低。在PVA的含量为40wt%时,膜的分离指数达到了极大值。当进料水浓度为10wt%和进料温度为50℃,通量和分离因子分别为492 gm-2h-1和59.3。利用高亲水性的硅钨酸（STA）(H4SiW12O40)填充交联PVA/ SPEK-C共混膜,制备了STA/PVA-SPEK-C无机-有机杂化膜,很好地解决了PVA/ SPEK-C膜的"trade-off”现象。渗透蒸发结果表明,通量随着STA含量的增大而增大;而分离因子先是随着STA含量的增大而增大,在STA的含量为12wt%时达到极大值,然后,随着STA的含量的增大而减少。当STA的含量为12wt%时,膜的分离指数达到了极大值。当进料水浓度为10wt%和进料温度为50℃,通量和分离因子分别为597 gm-2h-1和70.3。利用PEK-C制备复合膜的支撑层,以戊二醛交联的SPEK-C和STA/PVA-SPEK-C为活性层,制备各种复合膜。研究均质膜与复合膜的渗透蒸发性能之间的差异,结果表明,与均质膜相比,复合膜的性能有了很大的提高。扫描电镜测试表明,利用共溶剂可提高STA-PVA-SPEK-C-GA/PEK-C活性层与支撑层相容性;界面形态对膜的渗透蒸发性能有很大的影响,采用水和二甲亚砜为共溶剂的膜的性能高于单一以二甲亚砜为溶剂的膜的性能。当进料水浓度为10wt%和进料温度为50℃,采用共溶剂的STA-PVA-SPEK-C-GA/PEK-C的膜的通量和分离因子分别为592 gm-2h-1和91.2。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 膜分离概述
• 1.2 渗透蒸发
• 1.2.1 概述
• 1.2.1.1 渗透蒸发膜分离技术的发展简史
• 1.2.1.2 渗透蒸发的优点及其主要应用领域
• 1.2.1.3 渗透蒸发分离性能的评价指标
• 1.2.2 渗透蒸发的基本理论
• 1.2.2.1 渗透蒸发的传质机理与模型
• 1.2.2.2 常用的渗透蒸发膜材料选择理论
• 1.2.3 常用的优先脱水膜材料
• 1.2.4 膜材料改性
• 1.2.4.1 物理改性
• 1.2.4.2 化学改性
• 1.2.5 渗透蒸发膜的制备
• 1.2.5.1 致密均质膜的制备
• 1.2.5.2 复合膜的制备
• 1.2.6 渗透蒸发过程中的影响因素
• 1.3 本论文选题背景和研究思路
• 1.3.1 醋酸-水的分离现状
• 1.3.2 聚芳醚酮类材料的特点
• 1.3.3 研究思路
• 1.4 本论文的意义、主要研究内容和创新点
• 1.4.1 本论文的意义和主要研究内容
• 1.4.2 研究的特色和创新点
• 参考文献
• 第二章 实验方法与材料
• 前言
• 2.1 实验仪器和材料
• 2.1.1 实验仪器
• 2.1.2 实验药品
• 2.2 膜的制备方法
• 2.3 膜溶胀吸附性能的测定
• 2.4 膜的渗透蒸发性能测试
• 2.5 膜的物理化学结构表征方法
• 2.5.1 X-射线衍射（XRD）测试
• 2.5.2 红外光谱（FTIR）测试
• 2.5.3 膜的形态分析（扫描电镜和透射电镜）
• 2.5.4 热重分析（TG/DTA）
• 2.5.5 膜接触角实验
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 磺化酚酞聚芳醚酮膜（SPEK-C）的渗透蒸发脱水性能
• 前言
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 原料、试剂和仪器
• 3.1.2 磺化聚芳醚酮膜的制备
• 3.1.3 膜的表征
• 3.1.3.1 X-射线衍射（XRD）测试
• 3.1.3.2 红外光谱（FTIR）测试
• 3.1.3.3 SEM、TEM分析
• 3.1.3.4 差热扫描分析（DSC）及热重（TG）分析
• 3.1.3.5 膜接触角实验
• 3.1.4 膜的溶胀和吸附性能
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 磺化度对膜的渗透蒸发性能的影响
• 3.2.2 溶剂对膜的渗透蒸发性能的影响
• 3.2.3 退火温度对膜的渗透蒸发性能的影响
• 3.2.4 进料浓度对膜的渗透蒸发性能的影响
• 3.2.5 进料温度对膜的渗透蒸发性能的影响
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 PVA/SPEK-C共混膜的渗透蒸发脱水性能
• 前言
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 原料、试剂和仪器
• 4.1.2 PVA/SPEK-C共混膜的制备
• 4.1.3 膜的表征
• 4.1.3.1 X-射线衍射（XRD）测试
• 4.1.3.2 红外光谱（FTIR）测试
• 4.1.3.3 SEM分析
• 4.1.3.4 热重分析（TG）
• 4.1.3.5 膜接触角实验
• 4.1.4 膜的溶胀和吸附性能
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 聚乙烯醇的含量对膜的渗透蒸发性能的影响
• 4.2.2 退火温度和进料浓度对膜的渗透蒸发性能的影响
• 4.2.3 进料温度对膜的渗透蒸发性能的影响
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 硅钨酸掺杂PVA/SPEK-C共混膜的渗透蒸发脱水性能
• 前言
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 原料、试剂及仪器
• 5.1.2 STA/PVA-SPEK-C填充共混无机-有机杂化膜的制备
• 5.1.3 膜的表征
• 5.1.3.1 X-射线衍射（XRD）测试
• 5.1.3.2 红外光谱（FTIR）测试
• 5.1.3.3 TEM分析
• 5.1.3.4 热重分析（TG）
• 5.1.3.5 膜接触角实验
• 5.1.4 膜的溶胀和吸附性能
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 硅钨酸的含量及料液浓度对膜的渗透蒸发性能的影响
• 5.2.2 硅钨酸的含量及进料温度对膜的渗透蒸发性能的影响
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 PEK-C复合膜的制备及其渗透蒸发脱水性能
• 前言
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 原料、试剂及仪器
• 6.1.2 均质膜和复合膜的制备
• 6.1.3 膜的表征
• 6.1.3.1 X-射线衍射（XRD）测试
• 6.1.3.2 红外光谱（FTIR）测试
• 6.1.3.3 SEM分析
• 6.1.3.4 膜接触角实验
• 6.1.4 溶胀和吸附性能
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 戊二醛含量对膜的渗透蒸发性能的影响
• 6.2.1.1 戊二醛含量对PVA膜的渗透蒸发性能的影响
• 6.2.1.2 戊二醛含量对SPEK-C膜的渗透蒸发性能的影响
• 6.2.1.3 戊二醛含量对STA/PVA-SPEK-C膜的渗透蒸发性能的影响
• 6.2.2 料液浓度对均质膜和复合膜的渗透蒸发性能的影响
• 6.2.3 进料温度对均质膜和复合膜的渗透蒸发性能的影响
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结
• 7.1 结论
• 7.2 研究展望
• 作者在攻读博士期间发表的论文
• 致谢