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膜技术是本世纪开发成功的一种高新技术,是解决人类所面临的能源、资源和环境三大问题的有效手段之一。膜材料始终是整个膜分离过程的核心,其性能的改进是国内外膜科技发展中的一个关键课题,将对混合物的分离效果和设备的投资产生重大影响。近年来,研究用合适的膜材料改性技术,将已大规模工业生产的纳滤(NF)脱盐软化用的醋酸纤维素(CA)膜,开发成分离有机物的新型渗透汽化(PV)膜,已取得了重大进展。
本文将能够制成具有高分离因子分离膜的材料聚乙烯醇(PVA)与高度亲水性的聚丙烯酸(PAA)共混,然后复合到高度透水性的CA纳滤膜上,制备成PVA-PAA共混/CA复合膜,用于PV分离碳酸二甲酯(DMC)/水混合物,通过制膜配方、工艺和操作条件的优化,改善PVA-PAA共混/CA复合膜的分离性能,并选择性能最优的PVA-PAA共混/CA复合膜用于DMC/甲醇/水三元混合物的分离,以便为DMC产业中瓶颈问题的解决提供参考和基础资料。
差示扫描量热(DSC)曲线和红外光谱图(IR)显示PVA与PAA具有良好的相容性,PVA-PAA共混膜中,PVA与PAA分子链间以氢键结合。通过现代仪器原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)
对膜表面和断面结构形貌的观察分析,以及PVA-PAA共混均相膜和PVA-PAA共混/CA复合膜PV性能的对比实验,确定可以通过复合工艺将纳滤用的商品CA膜改性成PV用的有致密分离层的PVA-PAA共混/CA复合膜,而且效果非常明显。从SEM照片明显地看出,PVA-PAA致密层很紧密地复合在CA支撑膜上,复合情况良好。AFM照片显示的膜表面的三维结构形貌图表明,CA膜表面是凹凸不平的,膜表面平均粗糙度(RMS)达1.390nm,而复合了PVA-PAA共混物的PVA-PAA共混/CA复合膜表面的粗糙度得到明显改进,RMS值下降到0.4618nm,这是由于复合上的PVA-PAA共混物有效修正了CA膜表面微囊问的空隙的结果。通过对膜制备条件,包括交联剂,共混组成,PVA、PAA高分子浓度及热处理条件和操作条件对PVA-PAA共混/CA复合膜性能的影响,以及膜分离性能的稳定性实验研究,结果表明：
1、铸膜液中PAA含量以及PVA、PAA高分子浓度强烈地影响复合膜的分离性能,采用混合交联剂戊二醛和乙二醇交联以后,膜的稳定性以及选择性得到改善,铸膜液最佳配比:PAA含量50wf％,PVA浓度8wt％,PAA浓度8wt％,戊二醛浓度3wt％,乙二醇12wt％。
2、成膜工艺主要为热处理条件的选择。PVA-PAA共混/CA复合膜的最佳热处理条件为温度150℃左右,处理时间1h左右。
3、PVA-PAA共混/CA复合膜的渗透通量(J)和分离因子(α)与料液浓度以及操作温度(T)密切相关。随着料液中水含量和T值的提高,渗透液中DMC的含量始终小于4wt％。通过对实验数据的回归,建立了可以预测PVA-PAA共混/CA复合膜的J值的传质经验关联式：
DMC/水二元混合物
J=1292.07 exp(-800/T)
DMC/甲醇/水三元混合物
Jt=264606.74 exp(-2200/T).
Jm=85733.59exp(-2010/T)
Jw=20787.02exp(-2420/T).
JD=160492.1 exp(-3140/T)
4、经重复操作、间歇式连续操作以及长期贮存后的PVA-PAA共混/CA复合膜的PV分离性能稳定。
5、由于在较高温度条件下具有高渗透通量和高分离性能的特性,PVA-PAA共混/CA复合膜可用于与精馏耦合的PV/精馏/PV的集成工艺中,从而省却DMC传统分离工艺中的脱水塔、萃取精馏塔以及萃取剂再生塔,节省费用。
具有高分离性能的PVA-PAA共混/CA复合膜,将在实际的分离工程中显示其重要的应用价值。