超疏水膜的制备及其膜蒸馏分离发酵乙醇的研究

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膜蒸馏技术作为发展前景良好的新型膜分离技术之一,受到越来越多的关注。但是,膜材料的稀缺成为制约其发展的一种主要因素,目前还难以得到工业规模的应用。聚偏氟乙烯(PVDF)是一种疏水性、耐热性以及化学稳定性良好的材料,且价格合理,是膜蒸馏可选择的膜材料之一,本文以其为膜材料,采用非溶剂致相分离法(NIPS)制备微孔膜,通过铸膜液结构和成膜条件的调节,在膜表面构建微纳米颗粒状结构,来提高膜表面的粗糙度,进而提高微孔膜的疏水性。分别以乙醇水溶液和菊芋水解发酵液为料液,考察了膜的真空膜蒸馏(VMD)分离乙醇性能。首先,PVDF为膜材料,以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂,小分子化合物为添加剂,通过NIPS法制备超疏水平板微孔膜。研究了凝固浴组成、预蒸发时间、环境湿度温度等条件对膜结构的影响,通过改变凝固浴中溶剂NMP的比例,改变相交换速度进而改变膜结构;通过控制预蒸发时间的长短,研究其对膜表面粗糙度、孔径和孔隙率的影响。采用扫描电镜(SEM)、水接触角(WCA)、孔径分布、孔隙率和气体穿透性等方法对膜作了分析表征。实验结果表明:当凝固浴中NMP的体积分数从0%增加到68.5%时,膜的水接触角从100°增加到152°。综合实际应用条件,最佳预蒸发时间8 s时,膜的孔隙率55.72%、水穿透压1.93 bar和接触角141°。分别用5 wt%的乙醇-水溶液、20 wt%的菊芋发酵液和20 wt%的菊粉发酵液为原料液,对PVDF膜进行VMD实验。结果显示,具有特殊微纳米粗糙结构的PVDF膜的分离因子和通量均较高,对5 wt%的乙醇-水原料液,50 ℃和88 kPa真空度下,分离因子和通量分别为7.23和5.24kg·m-2·h-1。进一步地,为了提高膜的水穿透压和抗润湿性,将上述研究的具有微纳米粗糙结构的PVDF膜层涂覆制备到PTFE微孔膜上,以制备出超疏水的PVDF-PTFE复合膜,实验结果表明:由于微纳米粗糙结构的存在,使得水接触角从原膜的137°增加到153°,孔径分布变窄,最大孔径减小,水穿透压增大。用20 wt%的菊粉发酵液为原料液,用复合膜进行VMD实验,当涂层PVDF的浓度为8 wt%时,分离因子从PTFE原膜的5.8提高到10.1。通过此种方法制备的PVDF-PTFE膜,其分离乙醇性能好,具有应用前景。
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