SNW-1和ZSM-5掺杂PVA杂化膜的制备及其渗透汽化性能研究

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乙酸乙酯广泛用作各种工业中的溶剂。目前国内乙酸乙酯的生产通常通过乙酸与乙醇直接酯化法反应合成,但一般得到的乙酸乙酯粗产品中会包含少量的水,影响产品的品质,还会降低乙酸乙酯的稳定性。因此,脱除乙酸乙酯中少量的水是非常必要的。渗透汽化膜分离技术因其分离性能好,能耗低,对环境无污染以及不需要夹带剂等优点,非常适合分离有机物中的微量水分。若将渗透汽化膜分离技术应用于乙酸乙酯脱水可降低能耗、简化流程、降低乙酸乙酯生产成本。本文选用ZSM-5型沸石分子筛和水热合成的COF SNW-1材料作为改性剂,填充改性聚乙烯醇(PVA)膜基质,采用浇铸刮涂法制备PVA/SNW-1和PVA/ZSM-5杂化膜。采用SEM、EDS、FTIR、XRD、TG、WCA、AFM、机械性能试验及溶解度参数计算等方法对膜材料的形貌、元素分布、物化性质、热稳定性和亲水性进行表征分析,利用平衡溶胀实验考察膜材料在不同溶液中的溶胀性能,并通过渗透汽化实验考察填料含量、进料浓度和进料温度对杂化膜分离乙酸乙酯/水体系性能的影响。结果表明,ZSM-5颗粒与PVA膜基质结合紧密且分散均匀,除了ZSM-5固有的亲水性能有效提高杂化膜表面的亲水性外,ZSM-5还与PVA分子之间存在着氢键相互作用,但两者之间并没有发生化学作用,属于物理共混作用。溶胀实验显示了杂化膜材料对水的亲和性远强于乙酸乙酯。此外,通过基团贡献法计算了各组分的溶解度参数,预测乙酸乙酯、水和杂化膜材料之间的亲和性,其结果也与平衡溶胀实验结果保持一致。渗透汽化实验表明,随着进料浓度的增加,渗透通量增大,而分离因子呈减小趋势;随着进料温度升高,渗透通量和分离因子均增大;随着ZSM-5填充量的增加,渗透通量和分离因子均呈现先增大后减小的趋势。当ZSM-5填充量为6 wt%时,渗透通量和分离因子达到最大值,分别为1231 g·m-2·h-1和6072。PVA/SNW-1杂化膜表征结果表明,SNW-1纳米颗粒与PVA膜基质间无空隙,当填充量达到9 wt%时开始出现团聚现象。SNW-1的添加,增强了杂化膜整体的机械强度、热稳定性以及其亲水性能。PVA/SNW-1杂化膜在水中的溶胀度远高于在乙酸乙酯中的溶胀度,表明杂化膜对水具有优先吸附性能。当进料水浓度为4 wt%,温度为30℃时,随着SNW-1填充量的增大,渗透通量和分离因子均先增加后减小;当SNW-1填充量为9 wt%时,分离指数达到最大,渗透通量和分离因子分别为1337 g·m-2·h-1和7783。9wt%填充量的PVA/SNW-1杂化膜,温度为30℃时,随着进料浓度升高,渗透通量增加,分离因子降低;进料水浓度为4 wt%,随着温度升高,渗透通量和分离因子也同时增大,最大渗透通量为2294 g·m-2·h-1,最高分离因子为9079。本研究为渗透汽化技术工业化应用提供了必要的基础数据和理论依据。
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