酰胺类溶剂渗透汽化分离用PI/陶瓷复合膜的制备及表征

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常见的酰胺类溶剂有N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)等,这类溶剂具有较好的热稳定性及化学稳定性,广泛应用于有机合成、树脂、合成革和医药等领域,但其易于排放到空气和水中,对人类和环境均有不利的影响。因此,酰胺溶剂的分离方法已成为近年来的研究焦点。聚酰亚胺(PI)具有耐高温、耐溶剂、制备成本低等优点,在渗透汽化分离方面具有较好的应用潜力。本文通过分子模拟软件选择合适的三元共聚PI结构并制备成膜,用于酰胺溶剂的渗透汽化分离中。  运用COMPASS力场,对12种不同结构的PI的溶解度参数进行分子动力学模拟,模拟结果表明,在298 K下,12种PI结构的溶解度参数在21(J·cm-3)1/2左右,其中与酰胺溶剂分子溶解度参数的差值(|Δδ|)≥2(J/cm3)1/2的PI结构有7种;通过模拟结果选出BTDA-ODA-MDA和BTDA-BAPP-DABA结构制备成膜,并用于渗透汽化分离当中。  采用两步合成法,以3,3’4,4’-二苯甲酮四羧酸二酐(BTDA)、4,4’-二氨基二苯醚(ODA)及4,4’-二氨基二苯甲烷(MDA)为原料,在ZrO2支撑体上制备BTDA-ODA-MDA膜。通过傅里叶红外光谱(FT-IR)和电子扫描显微镜(SEM)表征膜的结构和形貌,制备的膜厚度约为20?m,膜表面平整致密;采用热重分析(TGA)对制备的BTDA-ODA-MDA膜的热稳定性进行了分析,结果表明制备的BTDA-ODA-MDA膜具有较好的热稳定性;采用接触角(CA)和溶胀度(DS)测试对合成的膜进行表征,结果表明制备的膜具有较好的亲水性及耐酰胺溶剂性。考察了料液浓度、操作温度、膜后侧压力和不同酰胺溶剂对BTDA-ODA-MDA膜分离性能的影响,结果表明在操作温度60℃,膜后侧压力500 Pa,进料浓度20 wt%的条件下,DMF/H2O和DMAc/H2O的分离因子分别为13.5和26.6,渗透通量分别为358.2 g·m?2·h?1和171.9 g·m?2·h?1,且分离DMAc/H2O体系的效果优于DMF/H2O体系。  以 BTDA、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]丙烷(BAPP)及3,5-二氨基苯甲酸(DABA)为原料,在ZrO2支撑体上制备BTDA-BAPP-DABA膜。通过 FT-IR和 SEM表征膜的结构和形貌;采用 TGA对制备的BTDA-BAPP-DABA膜的热稳定性进行分析,结果表明制备的膜具有较好的热稳定性。此外,还考察了不同二胺比例对BTDA-BAPP-DABA膜溶胀度和接触角的影响,得出最佳制膜条件,经过表征后用于渗透汽化实验中。考察了料液浓度、操作温度、膜后侧压力和不同酰胺溶剂对膜分离性能的影响,结果表明,在操作温度60℃,膜后侧压力500Pa,进料浓度20 wt%的条件下,DMF/H2O和DMAc/H2O的分离因子分别为27.8和66.8,渗透通量分别为798.4 g·m?2·h?1和530.7 g·m?2·h?1。
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