收藏本站
《天津大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

生物启发下的渗透蒸发膜制备与过程强化研究

李犇  
【摘要】:膜材料的研制是渗透蒸发技术发展的关键。目前在渗透蒸发过程中使用最为广泛的有机高分子膜材料,存在着通量低、溶剂耐受性差和使用寿命短等问题。自然界的生物体和生物组织在绿色、温和条件下,高效合成出种类繁多、结构精巧的高分子材料、无机材料和高分子-无机杂化材料。通过对材料结构、尺度、形貌和组装方式的精确控制,实现特定的功能。 本论文以提高膜分离性能和使用稳定性为目标;受细胞膜组成、结构及形成过程以及生物矿化、生物粘合和生物膜促进传递现象启发;以成分和结构仿生、过程和制备仿生、功能和性能仿生为手段;以材料表面/界面结构调控为核心;以膜材料制备-膜结构控制-膜分离性能强化为线索;以清洁油品生产(正辛烷/噻吩二元模拟汽油脱硫过程)为研究对象,制备了多种结构精巧、性能优良的渗透蒸发膜材料。以期为渗透蒸发膜制备与过程强化开辟新的途径。 首先,受生物膜促进传递现象启发,通过制备填充有过渡金属离子的促进传递膜材料,显著地提高了膜对汽油中有机硫组分的选择透过性。由于Ni2+Y沸石成本低廉,具有较高的稳定性,特别是与有机硫具有适宜的结合能,因此选用Ni2+Y沸石作为活性载体添加剂,制备固定载体促进传递膜。在操作温度30oC、原料液流速40L/h、原料液硫含量500ppm的条件下,所制备的促进传递膜表现出了优良的分离性能:渗透通量为3.26kg/(m2h),噻吩富集系数为4.84,促进传递因子大于2.0。对于PDMS空白膜和填充5wt% Ni2+Y沸石的杂化膜,扩散过程为控制步骤;然而对于填充量为10wt%、15wt%和20wt%的杂化膜,溶解过程为控制步骤,这主要是由于当沸石填充量较高时产生了较多的有机-无机界面缺陷。活性载体浓度和膜界面形态对膜的分离性能有显著的影响。 随后,为了克服物理共混容易导致无机物团聚,产生界面缺陷及局部应力的问题,受海洋中硅藻类生物细胞壁生物矿化过程启发,通过w/o反相微乳,提供硅烷前躯体水解-缩合反应的微环境,通过界面调控实现硅烷前躯体的原位反应,并将硅烷前躯体水解-缩合反应和高分子低聚物交联过程耦合,一步制备高分子-无机杂化膜材料。热重结果表明,杂化膜中二氧化硅/高分子质量分数分别为6.98%、10.68%和14.88%。正电子湮没寿命谱仪测量结果表明,填入二氧化硅后膜自由体积孔穴半径分布显著变窄,并增加了杂化膜的自由体积分数值,这主要是由于二氧化硅纳米颗粒干扰PDMS高分子链排布所导致的。制备的PDMS膜材料具有更加均一的自由体积孔穴半径,更加适用于小分子混合物的精确分离。渗透蒸发实验结果表明,PDMS空白膜的渗透通量分别大约为6.6 kg/(m~2h),而填充质量分数14.88%二氧化硅的纳米复合膜通量则增加到10.8 kg/(m~2h);膜对噻吩的选择性从5.8小幅下降到4.8。另外考察了原料液温度、原料液流速对PDMS-SiO_2杂化膜渗透蒸发分离性能的影响。利用DMA测试了PDMS空白膜和PDMS-SiO_2杂化膜的机械强度,结果表明,添加二氧化硅后PDMS膜的储能模量显著提高,且膜的玻璃化转变温度也从-104.74oC升高到-99.89oC。 接着,为了克服硅橡胶类高分子膜易于溶胀、不易超薄化等固有缺点,受生物粘合现象和生物膜结构和组成的启发,设计并制备出超薄、抗溶胀的渗透蒸发膜材料。受生物粘合现象启发,利用多巴胺自聚合成膜并牢固的粘附在多孔支撑层上的特点,制备由超薄活性分离层(100nm)和多孔支撑层构成的复合膜材料。纳米划痕测试证明多巴胺和多孔支撑层之间具有很强的粘合力力,这主要是由于界面区大量的?-?键和氢键的相互作用导致的。XPS结果表明多巴胺在支撑层表面通过自聚合形成了一层聚合物薄膜。水接触角测量结果显示经涂覆多巴胺的支撑层表面的接触角较未涂覆的显著降低,亲水性显著提高。台阶仪测量结果表明,聚多巴胺的厚度随着涂覆时间的增加而增加。慢正电子寿命谱仪测试结果表明经过两次涂覆,膜的活性层变得更厚、更密实,并且在膜活性层-支撑层界面处发生富集。多巴胺溶液的pH值和浓度对于膜的自由体积分数有显著的影响。较高的pH值和较低的浓度会产生较大的自由体积分数,有利于小分子的扩散。当多巴胺溶液的pH值从7.5升高到9.5时,聚多巴胺/聚砜复合膜的渗透通量从6.9kg/(m2h)增加到8.0kg/(m2h),同时富集系数从2.86降低到2.32。当多巴胺溶液的浓度从1.0mg/ml升高到4.0mg/ml时,聚多巴胺/聚砜复合膜的渗透通量从7.86kg/(m2h)降低到5.95kg/(m2h),同时富集系数从2.05增加到3.21。另外考察了原料液温度、原料液流速和原料液浓度对聚多巴胺/聚砜复合膜渗透蒸发分离性能的影响以及膜长时间运行下的使用稳定性。 最后,细胞膜是由非共价结合的脂质和蛋白质组成的超分子体系,具有亲水区、疏水区镶嵌的高度有序的不对称超级结构,以及自清洁、高抗污染、高度智能化、自修复的优异性能。受此启发,利用两亲性嵌段共聚物Pluronic F127作为表面改性剂修饰聚醚砜的表面,通过表面偏析技术制备亲水性的非对称的渗透蒸发膜。SEM照片显示出制备的膜材料具有典型的非对称结构;FTIR、XPS和接触角测量仪测试证实膜表面成功的进行了亲水改性。由于噻吩和正辛烷在水中的溶解度有着显著的差别,进而我们将制备的非对称膜用于渗透蒸发分离噻吩和正辛烷的混合物。实验结果显示制备的膜材料具有很强的抗溶胀特性。F127的含量对分离性能有着显著的影响:膜的渗透通量和噻吩的富集系数都在F127的含量约为60 wt%时达到峰值,对应的富集系数约为3.50,渗透通量约为3.10 kg/(m2h) (原料含硫量为500 mg/L,物料温度30?C)。另外系统的考察了原料液温度、原料液流速和原料液浓度等对分离性能的影响。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ028.8

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前9条
1 贺宏彬;王晓光;宋阳;尹满新;;天然海洋生物胶粘剂的研究进展[J];中国胶粘剂;2006年05期
2 余谟鑫;李忠;夏启斌;奚红霞;;活性炭表面负载金属离子对其吸附苯并噻吩的影响[J];化工学报;2006年08期
3 石巍,张凤宝,张国亮,张纲;固定载体促进传递研究进展[J];过程工程学报;2002年05期
4 陈焕章,李永丹,赵地顺;催化裂化汽油脱硫技术进展[J];化工科技;2004年03期
5 陈镇,秦培勇,陈翠仙;渗透汽化和蒸汽渗透技术的研究、应用现状及发展[J];膜科学与技术;2003年04期
6 吴礼光,沈江南,陈欢林,高从;固载促进传递膜的研究进展[J];膜科学与技术;2004年06期
7 赵长伟;李继定;赵之平;亓荣彬;陈翠仙;于宏伟;张志华;;PDMS有机硅膜的制备及其渗透汽化脱硫的研究[J];膜科学与技术;2006年05期
8 陈天泉;陈金勋;李继定;赵长伟;陈翠仙;;正庚烷/有机硫体系渗透汽化脱硫[J];膜科学与技术;2007年04期
9 陈翠仙,余立新,祁喜旺,蒋维钧;渗透汽化膜分离技术的进展及在石油化工中的应用[J];膜科学与技术;1997年03期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王宗花;于海容;夏建飞;张菲菲;夏延致;李延辉;;基于纳米材料有机–无机复合超滤膜的研究进展[J];工程塑料应用;2012年01期
2 张忠平;硫化铜矿湿法冶金工艺综述[J];安徽化工;2002年05期
3 郑志;吕艳丽;;膜法沼气净化数学模型的建立与应用[J];安徽农业科学;2011年06期
4 赵成茂,董泉玉,扬从贵,程怡;用电渗析法分离牛磺酸与硫酸钠混合水溶液[J];氨基酸和生物资源;2004年01期
5 毕英;石驰;;反渗透工艺在冷轧废水脱盐处理的应用[J];环境科学与管理;2011年05期
6 张新妙,王湛,刘美;死端微滤通量预测模型的研究进展[J];北京工业大学学报;2005年02期
7 纪树兰;谷维梁;张国俊;;渗透汽化过程分离乙醇-水的模型分析[J];北京工业大学学报;2007年08期
8 刘猛,王浚;一种富氧中空纤维膜组件的温度特性[J];北京航空航天大学学报;2004年03期
9 张秀莉,张卫东,张泽廷;中空纤维多孔膜基气体吸收传质性能研究[J];北京化工大学学报(自然科学版);2004年03期
10 何敬昌;彭乔;;磷酸溶液中铝阳极氧化分离膜的性能研究[J];中国表面工程;2008年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 罗伟锋;楼永通;褚红;叶海林;;膜分离技术在电镀清洁生产中的应用简介[A];2007(第13届)全国电子电镀学术年会暨绿色电子制造技术论坛论文集[C];2007年
2 孙文敏;;反渗透膜的化学清洗[A];中国膜科学与技术报告会论文集[C];2003年
3 徐寅初;吴礼光;项贤富;高从堦;;絮凝-膜法处理甲壳素生产废水的试验研究[A];中国膜科学与技术报告会论文集[C];2003年
4 刘燕;钱英;彭跃莲;刘淑秀;纪树兰;;纳米TiO_2/PVDF复合超滤膜的制备及性能研究[A];中国膜科学与技术报告会论文集[C];2003年
5 陈颖;关毅鹏;;聚烯烃中空纤维微孔膜及其应用研究与进展[A];中国膜科学与技术报告会论文集[C];2003年
6 高从堦;;膜分离技术与水资源再利用[A];中国膜科学与技术报告会论文集[C];2003年
7 唐娜;马敬环;王嘉宁;王海涛;鞠兴文;;热致相分离制膜条件对聚丙烯平板微孔膜结构的影响[A];第二届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2005年
8 薛娟琴;王召启;李伟达;田宇红;;中空纤维膜吸收低质量浓度SO_2的特性[A];第二届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2005年
9 胡保安;吕晓龙;马世虎;阚彬;;聚偏氟乙烯中空纤维膜的化学清洗研究[A];第二届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2005年
10 陈永林;刘梅城;翟振山;姜海龙;;板式超滤技术在维生素C生产中的应用[A];第二届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 晏水平;膜吸收和化学吸收分离CO_2特性的研究[D];浙江大学;2009年
2 赵强;聚电解质络合物的可加工性及其功能材料的构建基础[D];浙江大学;2010年
3 肖伟;Silicalite-1沸石及炭复合膜的制备与应用研究[D];大连理工大学;2011年
4 韩俊南;杂萘联苯聚芳醚砜中空纤维纳滤膜的研究[D];大连理工大学;2011年
5 韩润林;杂萘联苯聚芳醚砜分离膜的制备及应用研究[D];大连理工大学;2011年
6 陈赞;乙酸脱水沸石膜功能化修补及微结构优化研究[D];大连理工大学;2011年
7 尼姝丽;餐厨垃圾制沼及膜法沼气提纯一体化系统设计及理论研究[D];东北林业大学;2011年
8 侯晓川;镍钼矿冶炼烟尘中硒的提取新工艺及其机理研究[D];中南大学;2011年
9 陈冰冰;中空纤维膜组件膜蒸馏过程的数值模拟研究[D];浙江工业大学;2010年
10 马静;生物粘合启发下渗透蒸发复合膜的制备与酯化反应强化[D];天津大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王倩;疏水性SBA-15/PDMS杂化膜制备及分离乙醇/水的研究[D];山东科技大学;2010年
2 刘英;苯系物的新型吸收剂制备及性能研究[D];山东科技大学;2010年
3 颜晓;缓控释肥养分释放率快速测定及在田间土壤中释放率的相关性研究[D];山东农业大学;2010年
4 谢荣华;聚氯乙烯超滤膜亲水性改性及水过滤性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 王勇;新型可降解载药复合涂层的制备与表征[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 段晓杰;纳滤膜的荷电性能及对盐水溶液体系的截留机理研究[D];中国海洋大学;2010年
7 潘振江;集成膜技术深度处理油田采油废水研究[D];中国海洋大学;2010年
8 王丽;介孔SiO_2/聚酰胺反渗透复合膜的制备[D];中国海洋大学;2010年
9 刘蕾蕾;三醋酸纤维素正渗透膜的制备与性能研究[D];中国海洋大学;2010年
10 徐岩;超滤膜性质对海水超滤过程的影响及海水超滤分级实验研究[D];中国海洋大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王祥生,罗国华;HZSM-5沸石上焦化苯的精制脱硫[J];催化学报;1996年06期
2 杨丽娜,李德飞,李东胜,秦永航;石油二厂催化裂化柴油化学方法脱硫[J];抚顺石油学院学报;2002年02期
3 杜长海,马智,贺岩峰,秦永宁;生物催化石油脱硫技术进展[J];化工进展;2002年08期
4 刘德仿;RFCC汽油纤维膜脱硫新技术及其应用[J];化工进展;2004年01期
5 张国亮,张志平,张凤宝,石巍;用于清除亲脂性毒物的白蛋白填充多孔膜的传递特性[J];化工学报;2000年03期
6 王志,甄寒菲,李保安,任延,王世昌;新型CO_2分离膜的气体吸着性能[J];化工学报;2000年06期
7 吴永文,李忠,奚红霞,李祥斌,韩静磊,郭建光;高聚物吸附剂的孔隙结构和表面特性对苯酚吸附容量的影响[J];化工学报;2003年11期
8 庞新梅,孙书红,高雄厚;生产低硫汽油新型FCC催化剂研究进展[J];石化技术与应用;2001年06期
9 蔡哲斌,王运,石振贵;用于催化氧化丙硫醇的氧化铜/吸附树脂催化剂[J];精细石油化工;2001年04期
10 杜秀英,陆耘,符若文,曾汉民;载锰活性碳纤维SACF-Mn的制备及对乙基硫醇的吸附性能研究Ⅱ.-SACF-Mn对乙基硫醇的吸附性能研究[J];离子交换与吸附;1999年05期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 祁喜旺,陈洪钫;联合渗透蒸发膜分离过程的双酚-A合成反应[J];化学反应工程与工艺;1995年01期
2 杨伯伦,姚瑞卿,杨三八;乙基叔丁基醚的催化反应与渗透蒸发膜分离耦合法的合成[J];石油化工;1999年02期
3 平郑骅,叶匀分,陈士明,杨虎;渗透蒸发在挥发性有机污水处理中的应用[J];上海化工;1999年07期
4 黄倩,黄颂安;渗透蒸发膜分离有机双元混合物[J];化学工业与工程;1997年04期
5 姜忠义,徐海全,刘家祺;水溶液中挥发性有机化合物渗透蒸发分离技术[J];现代化工;2000年12期
6 李小禾;;渗透蒸发的原理及其应用[J];化学工程师;1992年03期
7 魏永明,许振良;渗透蒸发与化学反应耦合过程的研究进展[J];化学世界;2002年S1期
8 刘庆林,张志炳,陈洪钫;乙酸与丁醇酯化反应和渗透蒸发耦合过程研究[J];化学工程;2000年02期
9 余立新,蒋维钧;渗透蒸发过程非平衡溶解扩散模型[J];化工学报;1994年04期
10 陈镇,刘家祺,李俊台;膜分离技术的集成化[J];石油化工;2001年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 彭福兵;姜忠义;;渗透蒸发过程改进的溶解-扩散模型[A];中国膜科学与技术报告会论文集[C];2003年
2 王爱芳;孙维国;王金渠;杨建华;赵庆宇;孔春龙;鲁金明;;Silicalite-1沸石膜的制备及其渗透蒸发性能[A];第三届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2007年
3 周志辉;孙维国;杨建华;常利峰;王金渠;;NaA分子筛膜的合成及在渗透蒸发中的应用[A];2006年石油和化工行业节能技术研讨会会议论文集[C];2006年
4 吴洪;冯海锋;姜忠义;;PMPhS渗透蒸发膜脱除水中苯的研究[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2004年
5 马敬环;李俊台;陈镇;刘家祺;朱莹;;PDMS/PS复合膜的渗透蒸发性能的研究[A];第三届全国传质与分离工程学术会议论文集[C];2002年
6 彭福兵;陆连玉;胡昌来;姜忠义;;固载石墨的聚乙烯醇膜的制备与渗透蒸发分离性能研究[A];第九届全国化学工艺学术年会论文集[C];2005年
7 陆连玉;彭福兵;姜忠义;王江辉;;聚乙烯醇-壳聚糖共混膜渗透蒸发分离苯/环己烷的研究[A];第九届全国化学工艺学术年会论文集[C];2005年
8 杨建华;孔春龙;王金辉;周志辉;鲁金明;王金渠;;纯硅分子筛膜的制备及其渗透蒸发水中脱乙醇性能研究[A];第三届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2006年
9 伊守亮;陈向荣;万印华;苏志国;;新型优先透醇渗透汽化膜及其分离性能研究[A];第三届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2006年
10 吕丹;李邦民;王金渠;鲍仲英;殷德宏;;在α-Al_2O_3陶瓷管内表面动态合成NaA分子筛膜[A];第一届全国化学工程与生物化工年会论文摘要集(上)[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前2条
1 王馨睿;乙醇是石油的良好替代物[N];中国矿业报;2005年
2 本报记者 王馨睿;发展可再生能源前景广阔[N];中国环境报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李犇;生物启发下的渗透蒸发膜制备与过程强化研究[D];天津大学;2010年
2 马静;生物粘合启发下渗透蒸发复合膜的制备与酯化反应强化[D];天津大学;2010年
3 孙国锋;FAU型沸石膜的合成、表征及其渗透蒸发性能研究[D];大连理工大学;2012年
4 钟月华;新型硅橡胶膜生物反应器制造乙醇连续发酵动力学研究[D];四川大学;2003年
5 李邦民;NaA、FAU和ZSM-5沸石膜的制备及其应用[D];大连理工大学;2009年
6 邵国林;β沸石膜的制备及其分离催化性能的研究[D];大连理工大学;2007年
7 孔春龙;纯硅沸石及其复合膜的制备、表征与应用研究[D];大连理工大学;2008年
8 魏秀珍;基于树状支化分子分离膜的研究[D];浙江大学;2006年
9 田秀枝;有机物优先透过的烯烃共聚物渗透蒸发膜的结构与性能[D];浙江大学;2005年
10 孙维国;MFI型沸石分子筛膜及复合膜的制备与应用研究[D];大连理工大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 曹锐建;硅橡胶掺杂改性膜的制备及渗透蒸发脱硫性能的研究[D];天津大学;2012年
2 张艳艳;运用渗透蒸发技术分离乙醇—水体系的研究[D];湖南农业大学;2010年
3 冯海锋;PMPhS渗透蒸发膜脱除水中苯的实验研究及理论计算[D];天津大学;2004年
4 盛春光;高性能NaA沸石膜的制备及渗透蒸发应用研究[D];大连理工大学;2011年
5 杨树人;PDMS/PVDF中空纤维复合膜渗透蒸发回收处理煤化工废水中酚[D];哈尔滨工业大学;2013年
6 沈东;Silicalite-1沸石膜的制备与渗透蒸发应用研究[D];大连理工大学;2010年
7 陈小霞;T型沸石膜的制备及渗透蒸发应用研究[D];大连理工大学;2012年
8 许荣强;新型硅橡胶复合膜对多元有机物-水混合溶液的渗透汽化分离研究[D];四川大学;2004年
9 徐怀东;新型硅橡胶膜在乙醇连续发酵生产中的应用及其渗透蒸发性能评价研究[D];四川大学;2003年
10 寇相全;渗透蒸发处理煤气化含酚废水[D];哈尔滨工业大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026