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渗透汽化技术在工业应用上与传统的精馏、萃取等分离手段相比,具有分离效率高、设备投入少、操作方便、节约能源等特点。目前已经在多个领域有了广泛的应用,尤其对于热敏和共沸体系,具有其他分离手段达不到的特殊应用价值。有机无机复合材料膜结合了聚合物和无机粒子的优点,从分子层面进行两者的结合,在聚合物网络中引入无机质点,改变膜的网络结构,提供应力承受点,提高其耐候性,同时调节膜的自由体积,孔穴的尺寸,分布和膜的亲疏水能力,提高渗透性和选择性。复合膜能够兼具无机膜的大渗透通量,高机械强度和化学稳定性,又有聚合物材料的高分离活性,优异的成膜性能和柔韧性。纳米SiO2是目前应用最广泛的纳米材料之一。目前已经通过溶胶凝胶法或共混法将纳米SiO2引入到复合物材料中,在渗透汽化领域有一些探索性的应用,取得了良好的效果。但是溶胶凝胶法或共混法之外的制膜方法探索得很少；对于表面亲水亲油性不同,形貌不同的纳米SiO2应用在渗透汽化领域可能造成的影响和渗透汽化机理尚没有比较系统的研究。本论文作者在CPL/水热敏体系的渗透汽化分离过程中尝试将乳液聚合工艺引入到纳米SiO2复合膜的制备过程中来；研究了亲水溶胶状态的纳米SiO2和疏水的纳米SiO2(POSS)对CPL/水体系渗透汽化过程可能的影响；通过烷基改性纳米Si02和高度结晶结构的纳米SiO2(POSS)与硅橡胶的复合膜在DMC/甲醇共沸体系中的渗透汽化实验分析渗透机理和纳米SiO2的表面性质,粒子形貌等对通量和分离因子的影响；对膜的溶胀选择性和扩散选择性的变化规律进行分析,深入探索了纳米SiO2对渗透汽化机理的影响。本论文的研究内容主要分为四部分：(a)乳液聚合工艺制备聚丙烯酸酯/SiO2复合膜与PV性能研究利用乳液聚合工艺制作了聚丙烯酸酯渗透汽化膜和聚丙烯酸酯/SiO2复合膜,并对其结构进行了表征。通过扫描电子显微镜(SEM)发现,聚丙烯酸酯/SiO2复合膜表面形貌与纯聚丙烯酸酯膜差异很大。由于纳米SiO2和聚丙烯酸酯基体之间存在相互作用,影响了聚合物的分子链段的活动,让膜更容易让水透过。在CPL/水体系的渗透汽化实验中发现乳液聚合工艺聚丙烯酸酯/Si02复合膜能得到很高的渗透通量,高于文献中报导的PVA改性膜和其他纯聚合物渗透汽化膜,同时分离因子稍有下降。聚丙烯酸酯/Si02复合膜最佳的渗透通量J=1138g/(m2h),分离因子此时为350。(b)聚乙烯醇/Si02复合膜的制备与PV性能研究将溶胶状态纳米Si02和PVA制备了PVA/SiO2复合膜,并对其结构进行了表征。通过X射线衍射(XRD)发现：当纳米Si02的含量增加时,膜的结晶度下降了;通过接触角实验发现：此时膜表面的亲水性增加了。通过对CPL/水体系的渗透汽化实验发现：随着纳米Si02的加入,PVA/SiO2复合膜的渗透通量大幅度增加,与此同时分离因子下降了。最大的渗透通量达到了3.8kg/m2h,分离因子此时为150。通过对溶胀选择性和扩散选择性及活化能的研究揭示了在分离过程中,扩散选择性对整个膜的选择行为有着更为至关重要的作用。(c)PVA/POSS复合膜的制备与PV性能研究将Vinyl-POSS和PVA合成有机-无机复合膜,并对其结构进行了表征。通过FTIR来探索了POSS和PVA之间的相互作用。通过X射线衍射(XRD)发现：当Vinyl-POSS的含量增加时PVA的结晶度下降了,Vinyl-POSS的笼型高度结晶结构仍然得到了保留；通过对CPL/水体系的渗透汽化实验发现：渗透通量随着加入POSS含量增加而增加,同时分离因子下降了。最大的渗透通量达到了2.2kg/m2h,分离因子此时为220。通过对溶胀选择性和扩散选择性的实验结果揭示了扩散选择性对整个膜的选择性作用更大。Vinyl-POSS表面的疏水结构导致CPL在更疏水的膜表面下进入气相增加了难度,但是同时在膜体内部存在疏水的POSS也会加速CPL的传递,水的影响则相反。(d)硅橡胶/纳米SiO2复合膜的制备与PV性能研究将Vinyl-POSS和烷基纳米SiO2分别与PDMS合成有机-无机复合膜,并对其结构进行了表征。通过X射线衍射(XRD)发现：当POSS和烷基纳米SiO2的含量增加时,PDMS的结晶度下降了,Vinyl-POSS的笼型高度结晶结构仍然得到了保留；通过扫描电子显微镜(SEM)发现,Vinyl-POSS改性硅橡胶复合膜表面存在结晶的POSS结构,而烷基纳米SiO2改性硅橡胶复合膜表面的纳米SiO2多为球状。通过对DMC/甲醇体系的渗透汽化实验发现：渗透通量都随着POSS和烷基纳米SiO2的增加而增加,而分离因子随着POSS含量的上升而下降,而随着烷基纳米SiO2含量的上升显示出先增加后减小的趋势。POSS改性硅橡胶复合膜M-3在操作温度50℃时达到了最大的渗透通量4.9kg/m2h,此时分离因子为2.31。烷基纳米SiO2硅橡胶复合膜M-6在操作温度50℃时达到了最大的渗透通量3.8kg/m2h,此时分离因子为4.42。而POSS改性硅橡胶复合膜M-1在操作温度30℃C时达到了最大的分离因子为4.04,渗透通量,1.0kg/m2h。烷基纳米SiO2改性硅橡胶复合膜M-5在操作温度30℃时达到了最大的分离因子5.60,此时渗透通量1.2kg/m2h。相比较文献中针对DMC/甲醇共沸体系的渗透汽化优先通过DMC的结果,有一定程度的提高。通过对溶胀选择性和扩散选择性的实验结果揭示了与分离CPL/水体系相反,渗透组分进入膜体内部的溶胀选择性对整个膜的选择性有着更为至关重要的作用。而POSS和烷基纳米SiO2的不同形貌和表面性能造成了与PDMS相互作用的差异,烷基纳米SiO2与PDMS有更好的相容性。两者的加入量都较低时,烷基纳米SiO2与PDMS间出现了有较强相互作用的区域,这些区域是POSS改性硅橡胶复合膜不具备的,而它的存在造成了两者在分离性能上的差异。