聚丙烯复合膜的渗透汽化分离性能研究

【摘要】： 复合膜由极薄的致密层和多孔支撑层组成,具有很好的工业化应用前景。目前常用的支撑层主要有聚丙烯腈(PAN)和聚砜(PSf),但由于耐强极性溶剂性能差,难以分离强极性溶剂体系。聚丙烯微孔膜(PP)具有良好的化学稳定性,用来作为复合膜的支撑层时,可以弥补PAN和PSf等多孔膜的缺点。但因PP膜表面过于惰性、润湿性差等原因,在使用前往往需要改性。本文通过N_2低温等离子体对PP膜表面进行改性,制备了海藻酸钠/聚丙烯复合膜,用于乙酸水溶液及DMF水溶液等强极性体系的渗透汽化分离,研究结果如下: 1.研究了N_2等离子体处理功率和处理时间对PP膜表面的影响。结果发现,随处理时间的延长,PP膜的孔径增大,表面亲水性有了明显改善。这些结果得到了场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、接触角、红外(ATR-FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等证实。 2.海藻酸钠/聚丙烯复合膜用于分离乙酸水溶液时,发现不同抗衡离子的复合膜通量大小为Li~+Na~+K~+,而分离因子的趋势与之相反,并探索了水和乙酸渗透通过海藻酸钠膜的机理,水优先吸附和扩散通过膜,而乙酸与膜分子链上的-COOM进行离子交换扩散通过,导致乙酸透过膜的阻力增加;采用多价金属离子对海藻酸钠致密层进行交联,有效地改善了复合膜的分离性能,其中Ca~(2+)交联复合膜50℃下分离90wt%乙酸水溶液时通量为151.72 g/m~2·h,分离因子达到了1202.3,综合性能优于未处理的复合膜。 3.研究了海藻酸钠/聚丙烯复合膜对DMF水溶液的分离性能,结果表明综合性能与文献报道值相比,Ca~(2+)交联复合膜具有更好的分离性能,40℃下分离90wt%DMF水溶液时通量和分离因子分别为0.154kg/m~2·h和2608。根据溶解-扩散模型和Flory-Huggins理论,建立了40℃下Ca~(2+)交联复合膜分离DMF水溶液过程的传质模型。结果发现,溶解吸附过程中,各组分在料液相以及在膜中的分配关系与组分与膜间以及两组分之间的相互作用参数有关,水与膜的相互作用参数小于DMF与膜的相互作用参数,说明水与膜间的相互作用强于DMF与膜间的相互作用,水在膜中优先吸附溶解;随着料液中DMF含量的增加,料液中水与DMF的相互作用参数增加,而膜中两组分的相互作用参数几乎不变。水的塑化系数和无限稀释扩散系数都比DMF要大,说明水更容易吸附和扩散通过膜。利用所建立的模型对各组分通量进行预测,发现模型预测结果与实验值吻合良好。 本文制备的海藻酸钠/聚丙烯复合膜分离乙酸水溶液及DMF水溶液时获得了优异的分离性能。研究结果为腐蚀性和强极性溶液的渗透汽化分离提供了新方法,对于高性能复合膜的制备及工业化应用具有重要意义。