高通量PDMDES乙醇/水分离膜的制备及其渗透汽化性能的研究

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渗透汽化技术与生物质乙醇发酵过程相耦合可以实现乙醇的原位分离,减轻产物抑制作用,保证发酵过程的持续进行。在这一过程中,渗透汽化膜发挥着至关重要的作用。目前常用于乙醇/水分离的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜虽然分离因子较高,但是渗透通量较低,极大地限制了其实际应用。原因在于PDMS膜分离层较厚导致传质阻力较大,而造成这一现象的根本原因主要是PDMS分子量较大、粘度较大进而难以进行超薄膜的制备。为解决这一问题,本文采用与PDMS结构相似的单体二甲基二乙氧基硅烷(DMDES)作为成膜单体进行超薄PDMDES膜的制备,系统的考察了交联剂用量等制膜条件以及操作条件,如料液浓度等对PDMDES膜的渗透汽化性能的影响;对比PDMDES膜与PDMS膜的渗透汽化性能,并通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、接触角测试(CA)、红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)、核磁(29Si NMR)以及热重分析(TGA)等表征手段从表面结构及内部结构的角度探索二者之间性能差异的原因,初步探讨了膜结构与其分离性能之间的关系。最后,将PDMDES平板膜的研究扩大至PDMDES中空纤维膜的研究,重点考察了铸膜液预聚时间、铸膜液涂覆层数等因素对PDMDES中空纤维膜渗透汽化性能的影响。结果表明,DMDES可以实现超薄PDMDES膜的制备,在成膜温度120℃、溶剂用量l0g、交联剂用量3g、催化剂用量0.2g时该膜有较好的渗透汽化性能,35℃下分离9wt%乙醇/水溶液时,渗透通量高达5627.0g/(m2·h),分离因子为6.3。随料液温度的升高,PDMDES膜的分离因子变化较小,基本维持在6.3左右,而渗透通量呈现急剧上升的趋势;随料液浓度的升高,PDMDES膜的分离因子呈现缓慢下降的趋势,渗透通量呈现不断上升的趋势。相比于PDMS膜,该膜分离因子略微降低,渗透通量可提升一个数量级。表征结果显示,这主要是由于PDMDES膜分离层厚度极小(小于1μm),传质阻力较小,且PDMDES聚合物具有较为明显的三维网络结构,自由体积较大所致。PDMDES中空纤维膜的研究结果表明,当铸膜液涂覆层数为1层、浸渍时间为15min时渗透汽化性能较好,分离35℃、9wt%乙醇/水溶液时,渗透通量可达2273.7g/(m2·h),分离因子为5.1。
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