渗透汽化膜的制备及分离糠醛性能的研究

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糠醛是一种重要化学产品,通过精馏、萃取、汽提等传统方法分离有能耗高、产率低、污染环境等缺点,开发新型高效的分离技术对糠醛生产具有重要意义。渗透汽化是一种绿色高效的分离技术,能够打破汽液平衡限制,在糠醛分离工艺中具有巨大的应用潜力。本研究以疏水性聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)和沸石咪唑盐骨架(Zeoliteimidazoliumsaltframework-71,ZIF-71)为原料,通过共混改性方法制备了高稳定性和高糠醛选择性的新型渗透汽化膜,主要包括以下内容:首先,在甲醇(methanol,MeOH)和甲醇/N,N-二甲基甲酰胺(methanol/N,N-dimethylformamide,MeOH/DMF)两种溶剂下,以二水合醋酸锌((Zn(CH_3COO)·2H_2O))和4,5-二氯咪唑(4,5-dichloroimidazole,dcIm)为原料(摩尔比为1:4),制备了两种ZIF-71颗粒,X射线衍射技术(X-raydiffraction,XRD)和扫描电镜(scanningelectronmicroscope,SEM)表征分别反映了两种ZIF-71颗粒的晶体结构和微观形貌,以MeOH为溶剂制备的ZIF-71颗粒具有更好的拓扑结构和分散状态,粒径约为150~200nm。在此基础上,采用溶剂法实现了烯丙基环己胺(Allylcyclohexylamine,ACA)和3-氨基丙基三乙氧硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane,APS)两种改性剂对ZIF-71颗粒的接枝改性,糠醛吸附实验表明,与ZIF-71和ACA-ZIF-71相比,ZIF-71-APS颗粒具有更好的糠醛吸附性(吸附量为91.91mg/g)。其次,将ZIF-71-APS颗粒与PDMS聚合物共混制备了表面均一且致密的ZIF-71-APS-PDMS/PAN复合膜。红外光谱(FourierTransformInfraredSpectrometer,FTIR)、SEM和接触角分析表明,在70℃下,实现了ZIF-71-APS对PDMS聚合物的接枝改性,大大增加了ZIF-71-APS颗粒与PDMS间的相容性,使无机颗粒添加量达到50%。另外,吸附性能、溶胀性能以及渗透汽化性能测定结果表明,改性反应极大提高了复合膜的糠醛选择性,与ZIF-71/PDMS/PAN复合膜相比,添加量为5%和50%时,ZIF-71-APS-PDMS/PAN复合膜的分离因子分别提高了87.6%和110.9%。又对制膜条件进行优化确定了ZIF-71-APS-PDMS/PAN复合膜的最佳条件,即搅拌方式为连续超声搅拌;PDMS与聚甲基氢硅氧烷(Polymethylhydrosiloxane,PHMS)质量比为10:3;膜厚为20μm;ZIF-71-APS添加量为50%。最后,考察了ZIF-71-APS-PDMS/PAN复合膜在不同料液温度、流速和浓度下对分离糠醛性能的影响。结果表明,50%ZIF-71-APS-PDMS/PAN复合膜具有优异的耐热性、抗溶胀性和糠醛选择性。在70℃下分离2.0wt%糠醛/水溶液时,50%ZIF-71-APS-PDMS/PAN复合膜的通量为1181.25g·m~(-2)·h~(-1),分离因子可达60.41,在糠醛/水溶液分离中具有明显优势。
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