【摘要】：聚乙烯醇(PVA)膜在水溶液中易溶脹,化學改性可以提高其在水溶液中的穩(wěn)定性及選擇性,但膜的滲透通量下降。本文以降低PVA膜的溶脹、提高其對水的滲透選擇性為出發(fā)點,以二維納米材料氮化碳(g-C_3N_4)以及改性氮化碳為填充粒子,制備了系列PVA/g-C_3N_4有機-無機雜化膜,用于滲透汽化乙醇脫水。采用FT-IR、XRD、TG-DSC、SEM、XPS、WCA、BET等測試手段對制備的無機組分以及雜化膜的結(jié)構(gòu)、形貌等進行表征,用實驗和分子動力學(MD)模擬考察PVA膜的結(jié)構(gòu)與性能特點。首先,以三聚氰胺為前驅(qū)體,通過550℃程序高溫煅燒、500℃熱氧化“刻蝕”、球磨、超聲分散、冷凍干燥等手段合成了g-C_3N_4納米片,熱重分析表明g-C_3N_4在605℃以下都具有良好的熱穩(wěn)定性。以g-C_3N_4為無機納米填充材料,考察不同g-C_3N_4的添加量,制備了交聯(lián)CPVA-g-C_3N_4膜,以乙醇/水為分離體系,考察膜的滲透汽化性能。實驗結(jié)果表明,當g-C_3N_4的添加量為0.2 g(X=4)時,雜化膜的滲透性能最佳。75℃下、分離70 wt.%乙醇水溶液時,膜的最優(yōu)分離因子高達202.2,滲透通量為6384 g/(m~2h);分離85 wt.%乙醇水溶液時,膜的最優(yōu)滲透通量為6502 g/(m~2h),分離因子為17.7;分離90 wt.%乙醇水溶液時,膜綜合分離性能最佳,滲透通量為6332g/(m~2h),分離因子為30.7(交聯(lián)的純CPVA膜的滲透通量為2337g/(m~2h),分離因子為11.2)。料液溫度對膜滲透汽化性能也有較大的影響,隨著料液溫度的升高,膜滲透通量和分離因子都呈上升趨勢,即打破了傳統(tǒng)高分子膜“trade-off”效應。膜的穩(wěn)定性操作表明,連續(xù)運行120 h后,膜仍然具有初始的滲透通量和分離因子。其次,進一步對g-C_3N_4進行改性,通過雙氧水水熱合成出改性氮化碳(O-g-C_3N_4)和多巴胺(dopamine)聚合形成聚多巴胺(PDA)原位改性O-g-C_3N_4制備出PDA@O-g-C_3N_4納米片。將g-C_3N_4、O-g-C_3N_4和PDA@O-g-C_3N_4添加到PVA基質(zhì)中,并以琥珀酸(Sa)為交聯(lián)劑,制備出性能優(yōu)異的、含有氫鍵、剛性和柔性化學鍵的不同鍵合能力的滲透汽化雜化膜。在75℃、以90 wt.%的乙醇/水為分離體系,考察雜化膜的滲透汽化性能。結(jié)果表明,隨著聚合物/無機界面之間的可控相互作用力的增強,從氫鍵(CPVA-g-C_3N_4)、剛性化學鍵(CPVA-O-g-C_3N_4)到柔性化學鍵(CPVA-PDA@O-g-C_3N_4),雜化膜的總通量從4634 g/(m~2h)降到2328 g/(m~2h),分離因子從32.4提高到57.9。與純交聯(lián)的PVA(CPVA)(滲透通量和分離因子分別為2325g/(m~2h)和18.7)膜相比,g-C_3N_4、O-g-C_3N_4和PDA@O-g-C_3N_4的加入,可以使CPVA膜表面親水性和彎曲度增大,有利于水分子快速選擇性滲透通過的孔道數(shù)目明顯增多,從而使得雜化膜的分離性能得到了很大的提高。對CPVA-PDA@O-g-C_3N_4/PAN雜化膜進行長達120 h的穩(wěn)定性操作考察,連續(xù)運行120 h后,膜仍然具有初始的滲透通量和分離因子,并且滲透側(cè)的水含量一直維持在76.5 wt.%以上。最后,采用MD模擬預測聚乙烯醇/氮化碳雜化膜的結(jié)構(gòu)與性能。添加4條PVA鏈、4個琥珀酸分子和3個g-C_3N_4分子的CPVA-g-C_3N_4雜化膜的綜合性能是最佳的,即三者的添加量之間存在一個最優(yōu)比;界面間的相互作用會降低結(jié)晶度,g-C_3N_4的成核效應會提高結(jié)晶度;g-C_3N_4與PVA及琥珀酸之間只存在弱氫鍵相互作用,界面間相互作用不強。
【圖文】：

滲透汽化過程示意圖

圖 1-2 滲透汽化過程傳質(zhì)機理Fig. 1-2 Mass transfer mechanism in Pervaporation process擬在滲透汽化研究中的應用
【學位授予單位】：常州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ051.893

【參考文獻】

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本文編號：2702584