聚苯醚及其改性聚合物膜对乙醇/水体系的渗透汽化分离性能研究

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燃料乙醇作为一种新兴、无污染的可再生能源,已引起世界各国的广泛关注。由于传统的乙醇发酵模式无法在发酵的同时对产物乙醇进行原位分离,因此无法实现长期高效的发酵操作。渗透汽化技术为连续发酵生产乙醇提供了新途径,该技术的核心是制备高渗透通量、高选择性的透醇膜材料。   本论文以聚苯醚为渗透汽化膜材料,分别采用溶剂挥发法及凝胶相转化法,制备了用于醇/水混合物分离的聚苯醚及其改性聚合物渗透汽化膜。   首先考察了聚苯醚/聚砜复合膜制备的优化条件及乙醇/水体系的分离性能。实验结果表明,铸膜液中聚苯醚浓度的增大有利于复合膜渗透汽化性能的提高,对铸膜液中PPO浓度为14%的复合膜,当进料液温度60℃,乙醇浓度10%时,膜的渗透通量157.2g/(m2·h),对乙醇的选择系数为15.6。   为了提高PPO膜对乙醇/水混合体系的分离及透过性能,本文对聚苯醚(PPO)进行了溴代反应,并采用凝胶相转化法制备溴代聚苯醚(BPPO)非对称膜。通过扫描电镜观察膜表面及断面形貌,并以低浓度乙醇/水体系为研究对象,考察了添加剂含量、BPPO浓度、料液组成及料液温度对BPPO膜渗透汽化分离性能的影响。结果表明,该非对称膜较文献报道的纯PPO膜,其分离因子有了明显的提高。在添加剂浓度9.9%,BPPO浓度10%时制备出的非对称膜,对5%的乙醇溶液的分离因子达到16.74,渗透通量236.4g/(m2·h)。随着料液中乙醇浓度的增大,BPPO膜的分离因子减小,渗透通量增大;而随料液温度的升高,BPPO膜的分离因子及渗透通量均增大。同时考察了溴化聚苯醚/聚砜复合膜对乙醇/水体系的分离性能,当溴化聚苯醚浓度为10%,进料液乙醇浓度为10%,进料液温度为60℃时,BPPO/PSF复合膜的分离因子为16.11,渗透通量612.9g/(m2·h)。结果表明,BPPO/PSF复合膜的分离因子,尤其是渗透通量较PPO/PSF复合膜有了较大程度的提高。   本文进一步在BPPO中加入有机硅烷改性的ZSM-5分子筛,采用凝胶相转化法制备了ZSM-5/BPPO杂化膜。扫描电镜表明分子筛在BPPO中分散均匀;原子力显微镜显示杂化后膜表面粗糙度增大;接触角测定结果表明杂化后膜表面疏水性增强。当分子筛填充量为0.3%,进料液温度为60℃时,对5%的乙醇/水体系的分离因子高达18.49,渗透通量529.69g/(m2·h)。同时考察了杂化膜对不同醇/水体系的分离性能,在相同的制备条件下,杂化膜对叔丁醇/水体系的分离因子可达34.46,渗透通量为399.12g/(m2·h)。
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