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目前工业有机废液的传统回收方法是精馏,但是精馏存在能耗大的缺点,在呼吁节能减排的今天,亟需我们开发新的节能分离技术。膜分离是一项十分有前景的分离技术,具有低能耗、操作简单、分离温度低、不引入第三组分等优点,但是面对强溶解性的有机溶剂,耐溶剂膜的设计开发和制备是一个难点。 聚酰亚胺(PI)是一类耐溶剂性能良好的高分子材料,其独特的苯环和酰亚胺环结构使得PI在大多数有机溶剂中具有较好的稳定性,因此聚酰亚胺是制备耐溶剂膜的可选材料。溶解度参数(δ)是判断高分子材料在溶剂中溶解性的重要物理参数之一。本课题借助分子模拟软件Materials Studio5.5(MS5.5),对一系列的二元PI的δ进行了模拟,确定了PI溶解度参数的最佳力场、系综等系统参数。对二元PI溶解度参数进行模拟发现,一般二元PI耐溶剂性能不佳。耐溶剂性能好的二元PI分子链中无柔性基团,材料韧性不好,易脆裂,不适合作制膜材料。融合韧性较好和耐溶剂性能强的PI,或许可以克服二元PI作为制膜材料的不足,因此,本课题考虑制备三元PI。并选取3,3',4,4'-二苯酮四羧酸二酐(BTDA),4,4'-二氨基二苯基甲烷(MDA)和4,4'-二氨基联苯(Bz)为单体,合成三元PI。本文对不同比例二胺合成的三元PI的δ进行了模拟,模拟结果表明:当三种单体比例n(BTDA):n(MDA):n(Bz)=5:4:1时,溶解度参数具有最小值23.47(J/cm3)1/2,说明此比例的PI具有最佳的亲水性能,水分子更易透过该比例材料制备的膜。 采用分子模拟对一系列PI溶解度参数的结果,筛选出的单体制备了四种不同二胺比例的三元聚酰亚胺(BTDA/MDA/Bz)和两种二元PI(PI(BTDA/MDA)和PI(BTDA/Bz)。红外分析结果中出现PI的特征峰,表明PI的成功合成。对制备的六种PI均质膜的接触角和溶胀性能进行了测试,发现三元PI的亲水性和耐溶胀性相对二元PI有所改善。当摩尔比n(BTDA):n(MDA):n(Bz)=5:4:1时,三元PI(BTDA/MDA/Bz)均质膜的亲水性和耐溶胀性最佳,其接触角为37.4°,溶胀率为1.43%。使用该摩尔比的PI制备了用于DMF水溶液分离的渗透汽化片式复合膜,并考察了该膜在不同操作条件下的分离性能。实验结果表明:随着进料温度的升高PI片式复合膜的分离因子从52.6降低到20.3,通量从0.19 kg/(m2·h) 增大到0.45 kg/(m2·h);随着进料浓度的增大,膜的分离因子从31.6增大到76.7,通量从0.33 kg/(m2·h)减小0.18 kg/(m2·h)。 采用摩尔比n(BTDA):n(MDA):n(Bz)=5:4:1的聚酰亚胺制备了PI(BTDA/MDA/Bz)管式复合膜,考察了进料温度和进料浓度对管式复合膜分离性能的影响。实验结果表明:随着进料温度的升高PI管式复合膜的分离因子从16.4降低到9.0,通量从0.10 kg/(m2·h)增大到0.38(kg/m2·h);随着进料浓度的增大,管式膜的分离因子从6.2增大到11.9,通量从0.36(kg/m2·h)减小0.10 kg/(m2·h)。管式膜受进料温度和进料浓度的影响和片式复合膜的规律基本一致,但管式复合膜与片式复合膜相比,分离因子变小。 目前用于DMF水体系分离的渗透汽化膜材料主要有:高分子膜、分子筛膜和有机无机杂化膜。其中,耐溶剂高分子渗透汽化膜材料主要有聚乙烯醇、聚丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸甲脂、聚丙烯腈、聚氯乙烯、聚酰亚胺等,或者它们的交联产物。与目前报道的用于DMF水体系分离的其它高分子渗透汽化膜相比,本课题制备的PI复合膜在相同的操作条件下具有更优的分离性能。