基于聚电解质络合物渗透汽化膜的改性、制备及其性能研究

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聚电解质(离子)络合物(Polyelectrolyte complexes, PECs)具有较好的亲水性,是有机高分子膜的一类新型材料。然而,固体PECs不溶不熔的特性,极大限制了其广泛应用。最近,我们提出“酸保护-碱去保护”方法,制备了可水分散的PECs本体材料及其分离膜,成功地用于渗透汽化有机物脱水。本论文针对可水分散的PECs分离膜尚存在的不足之处,如力学性能、抗溶胀性、成膜性及膜的选择分离性等,分别采用共混、交联、无机杂化方法对其进行改性,系统地研究这些常规改性法用于PECs离子交联物的可行性,特点及对提高其渗透汽化膜综合性能中的作用。同时,论文在制备可分散的PECs的新方法方面也进行了探索。论文研究取得主要成果:(1)PEC共混膜.中性高分子聚乙烯醇(PVA)共混改性PEC研究发现,PVA/PEC(PDDA/PAANa0.3)共混物及其共混膜的形貌结构-性能明显存在共混物制备方法的依赖性。当共混条件由PVA固体共混法向PVA溶液共混法变化时,PVA/PEC共混液可从典型的高分子溶液转变成典型的分散液的特征。在10wt%水-异丙醇脱水中,固体共混法制备的共混膜的渗透汽化性能高,稳定性好。如,PVA/PEC3070共混膜在50℃下连续运行10h渗透通量和分离因子几乎保持不变,J=1550g/m2h,α=1500(渗透液中水含量99.4%)。固体共混膜的拉伸强度,杨氏模量以及断裂伸长率分别是相应纯PEC(PDMC/CMCNa0.46)膜的1.5,1.4和3.6倍,可制成无底膜的PVA/PEC(PDMC/CMCNa0.46)共混膜,在70℃C10wt%水-异丙醇脱水中呈现较高渗透汽化性能,渗透液中水含量和渗透通量分别为~100%和987g/m2h。20wt%荷电CMCNa共混改性PEC(PDDA/CMCNaO.19)时发现,CMCNa/PEC共混膜的拉伸强度是相应纯PEC膜的1.8倍。而且该类共混膜可用于乙醇脱水,在70℃10wt%水-乙醇脱水中,渗透液中水含量高至99.30wt%,渗透通量可达1059g/m2h。(2)PEC杂化膜.提出先将阴离子聚电解质CMCNa溶液滴加至荷负电的MMT分散液中制得两者复合物分散液后,再与阳离子聚电解质PDMC进行络合的方法,获得了MMT片层剥离程度大的MMT/PEC(PDMC/CMCNa0.46)纳米杂化物。MMT/PEC杂化膜的力学性能比相应PEC的力学性能有大幅提高。如,MMT含量为3wt%时,MMT/PEC纳米杂化膜的拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量分别是相应纯PEC膜的1.53,1.81和1.31倍;杂化膜在70℃10wt%水-异丙醇脱水中,渗透液中水含量为99.83wt%,高于PEC基体选择性(99.6wt%),渗透通量为2600g/m2h。杂化膜经受70℃20小时的连续操作后,膜的选择性几乎不变。(3)PEC交联膜.选用γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)偶联交联剂,可在弱酸性(pH6)介质中(无需强酸性条件)进行溶胶-凝胶反应交联PEC (PDDA/CMCNa0.19),制得GPTMS/PEC交联膜。GPTMS含量2wt%的交联膜的拉伸强度和断裂伸长率分别是相应纯PEC膜的1.12和1.35倍。而且该交联膜的渗透汽化性能最佳,70℃下10wt%水-异丙醇脱水时,渗透液中水含量为100wt%,渗透通量不因交联而下降,反而高于纯PEC膜的渗透通量(2480g/m2h),可达2670g/m2h。(4)基于高分子溶剂的概念,提出了无外加酸或碱条件下将阳离子聚电解质溶液直接滴入过量阴离子聚电解质的溶液中,原位制备可水分散的PEC的新方法。在CMCNa含量不低于80wt%时,由新法制备的PDDA/CMCNa络合物(NPEC)具有半互穿网络的结构,其韧性明显提高,NPEC-80的断裂伸长率可达8%,是“酸保护-碱去保护”法制得相应的可分散PEC的3.03倍。NPEC膜(NPECM)用于异丙醇脱水,渗透汽化性能优于酸碱法制得的PEC膜,如NPECM-80在70℃下10wt%水-异丙醇脱水时,渗透通量可达2821g/m2h,是酸碱法制备的PDDA/CMCNa0.19相同条件下渗透通量2480g/m2h的1.14倍。NPECM用于难分离的10wt%水-乙醇脱水也呈现突出渗透汽化性能,如40℃下新法制备的PDDA/CMCNa膜(NPECM-90)的渗透通量和分离因子分别为811g/m2h和1570(PSI=1.27x106)。在相同条件下该膜的渗透汽化性能优于CMCNa/PEC共混膜,522g/m2h和1948(PSI=1.02×106)。此外,按新方法还制备了其它两类NPECMs,PDMC/CMCNa和CMC+/CMCNa也具有高渗透汽化性能,这表明新方法制备的可分散性PEC具有一定普适性。
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