離子液體作為一種綠色溶劑有望在能源和環(huán)境等問題中發(fā)揮重要的作用。但離子液體普遍價格昂貴,不可被直接排放,需對其進行回收。壓力驅動型膜分離技術(如反滲透)是回收離子液體的有效方法之一。相比于反滲透技術,膜蒸餾技術由于不受滲透壓影響,對非揮發(fā)性物質(zhì)具有優(yōu)異的截留性能,有望在離子液體回收中獲得應用突破。然而,針對膜蒸餾分離離子液體-水混合液這一全新過程,膜材料選擇、膜污染與潤濕、過程傳質(zhì)與傳熱等問題尚待研究。針對上述問題,本文從膜制備、膜污染、過程優(yōu)化等方面進行了較為系統(tǒng)的研究。主要結果如下:(1)采用等離子體技術對親水聚丙烯腈膜(PAN)表面進行了疏水改性,制備了適用的疏水多孔膜�？疾炝说入x子體的放電功率對PAN膜表面疏水性、形貌、表面孔徑和孔隙率等參數(shù)的影響。與原PAN膜相比,改性PAN膜(PAN-C膜)的接觸角由45°增加至132°,表面孔徑由24.6 nm增加至150.5 nm,表面孔隙率由7%增加至32.3%。改性膜中PAN-Cl膜(等離子體功率80 W)分離1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([Bmim]Cl)水溶液的穩(wěn)定性最好。此外,還考察了 PAN-Cl膜的化學穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)其具有較強的耐酸、耐有機溶劑和耐離子液體性能。(2)實現(xiàn)了高濃度[Bmim]Cl水溶液的真空膜蒸餾(VMD)高效濃縮。采用PAN-C 1膜濃縮20wt%的[Bmim]Cl水溶液,并對濃縮過程進行優(yōu)化,結果表明PAN-Cl膜可將[Bmim]Cl水溶液濃縮至65.5%,膜的[Bmim]Cl截留率在90%以上,通量恢復率在95%以上,[Bmim]Cl的總回收率為99.5%。此外,在VMD濃縮[Bmim]Cl水溶液的過程,膜污染明顯,膜污染形成過程如下:由于濃差極化和PAN-Cl膜的親水化作用,導致[Bmim]Cl吸附至膜表面,膜污染開始形成(可逆污染);[Bmim]Cl在膜面不斷累積時,并向膜面孔內(nèi)遷移,導致膜面和表層潤濕;最后[Bmim]Cl滲透進入膜的指狀孔內(nèi),形成不可逆污染。(3)從離子液體與膜面相互作用角度進一步探明了 VMD分離離子液體-水混合液過程中的膜污染熱力學機理。通過XDLVO(extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理論計算了不同膜與不同離子液體之間的相互作用能,結果表明,該類膜污染主要由表現(xiàn)為吸附作用的極性作用能(AB)控制。此外,膜面粗糙度越大,膜面極性越高(F/C比越小),膜面負電荷越少,離子液體濃度越高,離子液體與膜面越易相互吸引,導致膜污染加重。通過上述分析,選擇了粗糙度低、F/C比高、表面負電荷多的商業(yè)聚四氟乙烯(PTFE)膜對[Bmim]Cl水溶液進行濃縮,發(fā)現(xiàn)該膜可將20 wt%的[Bmim]Cl水溶液濃縮至86.2 wt%。(4)建立了 VMD分離離子液體-水混合液的傳質(zhì)與傳熱過程。以純水體系為依據(jù),獲得了適用于本實驗組件的傳熱、傳質(zhì)經(jīng)驗公式,結合離子液體-水混合液的各個物性參數(shù)和經(jīng)驗公式建立了離子液體體系下的通量預測模型,預測值與實驗值吻合度較高。利用預測模型計算了溫差極化系數(shù)(TPC)和濃差極化系數(shù)(CPC),討論了不同操作條件對其產(chǎn)生的影響。結果表明,該過程的濃差極化對通量造成的影響大于溫差極化的影響。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院過程工程研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：X703
【部分圖文】：

并在不少領域取得了成就。ＭＤ是將蒸發(fā)和膜分離技術結合在一起的分離技術，??該技術以膜兩側蒸汽壓力差為傳質(zhì)驅動力，疏水性微孔膜為傳遞介質(zhì)，只有揮發(fā)性組??份以蒸汽形式透過膜，而非揮發(fā)性組份被完全截留的分離過程［４］。圖１．１是其過程示??意圖。??▲?Ｌｉｑｕｉｄ?（二）Ｖａｐｏｒ?？Ｎｏｎ－ｖｏｌａｔｉｌｅ??１：?Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ?２：?Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ?３：?Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ??Ｉ?＊?－?￣＂＂＂Ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｍａｔｒｉｘ￣??■■■■??３４??４??９?？?Ｐｈａｓｅ?ｂｏｕｎｄａｒｙ??Ｐｅｒｍｅａｔｅ?ｓｉｄｅ??（ｌｉｑｕｉｄ）?（ｌｉｑｕｉｄ）??圖１．１膜蒸餾過程示意圖［４］??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｍｅｍｂｒａｎｅ?ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ?［４１??ＭＤ的具體操作原理為［４］：由于膜的疏水性，原料液不能透過膜孔進入另一側；??原料液中易揮發(fā)性組分在膜界面汽化，與滲透側形成蒸汽分壓差（壓力梯度）；易揮??發(fā)性組分以蒸汽形式通過膜孔傳遞到膜的滲透側，并冷凝成液體，而其它不揮發(fā)性組??分被截留。疏水膜的作用是作為兩相間的屏障

Ｌｉｌｌ后經(jīng)氣隙在冷卻板上冷凝。該過程中，氣隙的存在降低了膜兩側的熱效率高，但缺點是傳質(zhì)阻力大，膜通量較低，且該類型膜組件的結構較）吹掃式膜蒸餾（ＳＧＭＤ）?［７’］２］??下游側的蒸汽被流動的干燥氣體帶出膜組件并冷凝。該過程熱傳導損失較小，通量較大。但揮發(fā)組份不易冷凝，且需要較高的氣體吹掃速度，目前多為實驗室研宄。??

也稱之為室溫離子液體、室溫熔融鹽等［５１，５２］。不同陰陽離子的自由組合可形??成種類繁多的離子液體，其種類以組成的陽離子結構來劃分，分為咪唑類、吡啶類、??吡咯類、季膦類、季銨類、胍類、氨基酸類和锍鹽類等（如圖１．３所示）［５３］。常見的??陰離子有鹵素離子（Ｆ＇?Ｃｆ，Ｂｒ＿，１＿）、四氟硼酸根離子（［ＢＦ４ｆ）、六氟磷酸根離子??（［ＰＦ６；ｆ）等。此外，陰陽離子的尺寸差別越大，結構對稱性越低，則分子間作用力??越弱，離子液體的熔點就越低；離子液體的粘度主要由陽離子產(chǎn)生的氫鍵和范德華力??所決定；而離子液體烷基側鏈的長度和陰離子種類決定離子液體的親疏水性，例如，??
【參考文獻】

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本文編號：2873317