渗透汽化透醇膜制备及乙醇/水体系的分离研究

论文摘要

在生物发酵制备燃料乙醇的过程中,需要将发酵液中的低浓度乙醇及时分离出来,以维持发酵的连续进行。传统的分离方法主要为蒸馏法,能耗较高、投资大、经济效益低等不足。渗透汽化是一种新型的膜分离技术,在分离恒沸物、近沸物和共沸物等体系具有特别的优势,在低浓度乙醇水溶液的分离中也有着广泛的应用前景。本文制备了疏水性silicalite-1颗粒,测定了其粒径分布,结果表明:合成的silicalite-1微粒的粒径为0.973μm。首先考察了聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜的优化条件及渗透汽化分离乙醇/水体系的性能研究。然后以聚丙烯腈（PAN）超滤膜作为支撑层,将silicalite-1颗粒与PDMS和聚醚嵌段聚酰胺（PEBA）共混后,分别制备了填充疏水性silicalite-1微粒的PDMS平板复合膜（PDMS/silicalite-1）以及PEBA平板复合膜（PEBA/silicalite-1）。利用PDMS/silicalite-1复合膜对低浓度乙醇/水溶液进行了渗透汽化分离实验。考察了silicalite-1质量百分含量、料液温度以及浓度对渗透汽化性能的影响。实验结果表明: PDMS/silicalite-1膜分离乙醇/水体系的渗透汽化性能明显优于纯PDMS膜。随着膜内silicalite-1质量百分含量的增加,渗透通量先上升而后下降,在添加量达到2wt%时,渗透通量和透过液中乙醇浓度均达到最大值,分别为1645g/m2h,30.3wt%。随着温度的升高,渗透通量与分离因子皆呈上升趋势,而且温度与渗透通量的关系符合Arrhenius方程;随着料液浓度的增加,渗透通量逐渐增大,而分离因子则先缓慢增加,最后基本保持不变。利用PEBA/silicalite-1复合膜对低浓度乙醇/水溶液进行了渗透汽化分离实验。考察了silicalite-1质量百分含量、料液温度以及浓度对填充的PEBA膜渗透汽化性能的影响。实验结果表明,以上三个因素对PEBA膜的影响趋势与PDMS膜基本相同。虽然PEBA/silicalite-1膜在渗透通量和分离因子上均比PEBA膜有很大的改善,但是不论渗透通量还是分离因子,PDMS膜均优于PEBA膜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 燃料乙醇的概念
• 1.1.2 燃料乙醇的国内外研究现状
• 1.1.3 渗透汽化法应用于制备燃料乙醇的意义
• 1.2 渗透汽化技术
• 1.2.1 渗透汽化简介
• 1.2.2 渗透汽化过程的基本原理与传质机理
• 1.2.3 渗透汽化分离性能的影响因素
• 1.3 渗透汽化膜
• 1.3.1 渗透汽化膜的分类及制备
• 1.3.2 渗透汽化膜材料的选择原则
• 1.3.3 水脱有机物渗透汽化膜的研究现状
• 1.4 填充型渗透汽化膜概述
• 1.4.1 填充型渗透汽化膜研究背景
• 1.4.2 渗透汽化填充膜分类
• 1.4.3 各种填充剂特性及其在渗透汽化膜中的作用
• 1.4.4 填充型渗透汽化膜渗透汽化性能研究
• 1.5 课题研究工作的提出及研究方案
• 第二章 实验部分
• 2.1 原料和设备
• 2.1.1 主要原料
• 2.1.2 主要设备
• 2.2 silicalite-1 微粒的制备及表征
• 2.2.1 silicalite-1 微粒的制备
• 2.2.2 silicalite-1 微粒的表征
• 2.3 渗透汽化膜的制备及表征
• 2.3.1 PDMS/PAN 复合膜的制备
• 2.3.2 PDMS/silicalite-1 填充膜的制备及表征
• 2.3.3 填充了silicalite-1 微粒的PEBA 膜的制备
• 2.4 膜的吸附性能测试
• 2.4.1 操作
• 2.4.2 计算
• 2.5 渗透汽化实验装置及测试
• 2.5.1 装置
• 2.5.2 渗透汽化性能计算方法
• 2.5.3 膜性能的测试
• 第三章 PDMS/PAN 复合膜渗透汽化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 PDMS 复合膜的渗透汽化性能
• 3.2.1 交联温度对PDMS 复合膜渗透汽化性能的影响
• 3.2.2 交联时间对PDMS 复合膜渗透汽化性能的影响
• 3.2.3 操作温度对PDMS 复合膜渗透汽化性能的影响
• 3.2.4 料液浓度对PDMS 复合膜渗透汽化性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 PDMS/silicalite-1 复合膜渗透汽化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 silicalite-1 微粒的表征结果分析
• 4.2.1 silicalite-1 微粒的XRD 图
• 4.2.2 silicalite-1 微粒的粒径分析图
• 4.2.3 silicalite-1 微粒的SEM 图
• 4.3 PDMS/silicalite-1 复合膜渗透汽化性能研究
• 4.3.1 PDMS/silicalite-1 复合膜的SEM 图
• 4.3.2 silicalite-1 填充量对膜渗透汽化性能的影响
• 4.3.3 料液温度对填充膜渗透汽化性能的影响
• 4.3.4 料液浓度对填充膜渗透汽化性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 PEBA /silicalite-1 复合膜渗透汽化性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 PEBA /silicalite-1 复合膜的溶胀性能
• 5.3 PEBA /silicalite-1 复合膜的渗透汽化性能
• 5.3.1 操作温度对复合膜分离性能的影响
• 5.3.2 料液浓度对复合膜分离性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文