硅基分离膜的制备、表面改性及醇/水分离性能评价

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基于生物乙醇在渗透蒸发膜分离工艺中应用亲醇、亲水膜的背景,本文以多孔α-A12O3为载体,设计并制备了magadiite亲水膜和silicalite-1亲醇膜。并研究了表面修饰,化学气相沉积功能性膜层对两类膜层在生长和分离性能上的影响。利用渗透蒸发膜分离工艺,通过改变料液种类、组成和温度等工艺参数,评价了magadiite亲水膜和silicalite-1亲醇膜的醇/水分离性能。通过异相界面引入,在多孔α-Al2O3载体上水热合成出片状结晶的magadiite担载膜(P-magadiite膜),膜层排列致密,晶粒尺寸约5μm。而未加入α-Al2O3载体所合成的magadiite为花椰菜状,尺寸大小约15μm。在相同的水热条件下,引入异相界面改变了magadiite的晶体形貌和晶粒大小,而相组成仍为magadiite单一相组成。P-magadiite膜其特有的层状结构和丰富羟基,在渗透蒸发膜分离中表现出良好的亲水、脱醇性。对75、80、85、90、95wt.%的高浓度的乙醇水溶液的渗透通量和分离系数最大值分别为2.31 kg·m-2·h-1和3.47。气相沉积PDMS对P-magadiite膜起到了疏水改性的效果,沉积PDMS后对5、10、15、20、25wt.%的低浓度的乙醇水溶液的渗透通量和分离系数最大值分别为1.63 kg·m-2·h-1和1.55,说明化学沉积PDMS可实现P-magadiite膜的亲水性向疏水性转变。利用水热工艺合成silicalite-1担载膜的过程中,首先在α-A12O3载体表面涂覆高分子膜层作为结构导向剂,导向膜层种类包括亲水性高分子壳聚糖、聚乙烯醇和疏水性的玉米醇溶蛋白(zein)等,从而实现了silicalite-1分子筛膜晶体的优先取向生长。聚乙烯醇,壳聚糖和zein导向合成的沸石膜层厚约24、31、23μm,且膜厚随涂覆次数的增加而增大。在293 K条件下,N2的渗透通量分别为9.5×10-9、1.07×10-8、9.85×10-9 mol·s-1·m-2·Pa-1。所制备的优先取向沸石膜层致密、平整,在渗透蒸发实验中表现出较高的乙醇/水分离系数和较低的渗透通量(分离系数α分别为3.53、2.33、3.17,渗透通量J分别为1.38,3.02和1.55kg·m-2·h-1)。三种膜均表现为α随料液温度和料液浓度的增大而减小,而J随温度和浓度的增大而增大。其中以PVA为修饰剂合成silicalite-1沸石分子筛膜随料液浓度的升高表现出较稳定的渗透蒸发性能。对PVA修饰剂合成的silicalite-1沸石分子筛膜气相沉积PDMS膜并进行渗透蒸发,结果分离系数由之前的3.53升高到5.17,渗透通量由1.38 kg·m-2·h-1降为0.64 kg·m-2·h-1,化学沉积PDMS改性增强了表面疏水性,有利于乙醇组分的分离、提纯。
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