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聚乙烯醇—氧化硅杂化膜的制备及其丙烯脱湿性能的研究

程庆来  
【摘要】:在丙烯聚合过程中,为防止催化剂中毒,对原料气中水含量需严格控制。为适应工业需求,本研究以丙烯/水蒸气混合气体为模型体系,通过杂化改性制备了两种高脱湿性能的复合膜。采用扫描电镜(SEM)、差示扫描量热(DSC)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等一系列分析方法表征了膜的物理化学结构和微观形貌,利用正电子湮没寿命谱(PALS)研究了膜的自由体积特性。 利用透明质酸(HA)的粘附性,在聚乙烯醇(PVA)高分子与无机氧化硅(silica)界面之间引入HA过渡层,增强PVA与silica界面粘合作用,消除界面缺陷。HA具有强亲水性,可增加膜对水分子的吸附选择性,促进水分子在膜中的传递。首先将经过HA修饰的氧化硅颗粒与PVA共混制得PVA-(HA-silica)铸膜液,再采用浸涂法与聚砜(PS)多孔膜制成PVA-(HA-silica)/PS复合膜。相比于PVA/PS膜(渗透系数215 GPU,分离因子4720),PVA-(HA-silica)/PS膜显著提高了丙烯脱湿性能,当HA浓度为0.2 wt.%,HA-silica的填充量为4%时,复合膜的渗透系数为912 GPU,分离因子达到9650。 在生物矿化过程的启发下,在聚乙烯醇-明胶(PVA-gelatin)共混高分子溶液中加入硅酸钠作为硅前驱体,通过明胶的诱导矿化功能原位合成(PVA-gelatin)-silica杂化膜。明胶发挥其催化以及模板作用,诱导氧化硅的成核与生长;PVA高分子链为氧化硅的生长提供了受限空间,抑制氧化硅粒子的团聚,使其均匀分散在高分子主体中。以这种杂化膜为分离层,以聚砜多孔膜为支撑层制备的(PVA-gelatin)-silica/PS复合膜展现了良好的脱湿性能。当溶液pH=5.0,硅酸钠浓度为30 mM时,复合膜的渗透系数为1500 GPU,分离因子达到67511。 吸附实验表明,水分子在PVA-(HA-silica)和(PVA-gelatin)-silica膜中的传递过程主要由扩散步骤控制。系统地考察了氧化硅填充量、溶液pH值、前驱体浓度等制膜条件以及温度、压力、流率等工艺参数对复合膜脱湿性能的影响。针对丙烯深度脱湿过程,以中空纤维复合膜为分离膜材料,提出了膜过程与传统气体脱湿技术耦合的应用展望。


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