基于聚膦腈滲透汽化膜的制備及分離性能研究.pdf

1、滲透汽化作為一類新興的膜分離技術(shù),具有高分離性能、經(jīng)濟、安全和環(huán)保等顯著的優(yōu)點。近二十年來,親有機物滲透汽化在環(huán)境保護、化學(xué)品回收及重要化學(xué)物提取等領(lǐng)域取得了良好的效果并得到極大的關(guān)注,然而現(xiàn)有的親有機物聚合物基體材料和膜材料還存在不同程度的缺陷,特別是對極性有機物選擇性不理想。開發(fā)和研究新型親有機物滲透汽化膜材料是一條重要的提高分離性能的途徑,對于探索材料分子結(jié)構(gòu)與分離性能的關(guān)系同樣具有重大意義。聚膦腈是一類新型的無機/有機聚合物,其

2、中線性聚膦腈和以環(huán)膦腈為組成單元的聚膦腈在滲透汽化中具有潛在的應(yīng)用價值。線性聚膦腈具有良好的分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計性,具有很好的主鏈柔順性和成膜能力,是性能優(yōu)異的親有機物滲透汽化膜基體材料并為提高分離性能和研究結(jié)構(gòu)性能關(guān)系提供了絕佳的條件。而交聯(lián)環(huán)膦腈聚合物較一般的無機材料具有更好的親有機物性質(zhì),可以作為親有機物的膜填料,提高聚合物膜的分離性能。因此膦腈類聚合物在滲透汽化膜中的不同層面都有可能起到積極的作用,對該領(lǐng)域的研究具有重要的理論意義和應(yīng)

3、用價值。
　　 首先制備了一種典型的聚膦腈膜:乙氧基,鄰烯丙基苯氧基和苯氧基混合取代聚膦腈膜并系統(tǒng)研究了制備條件對滲透汽化性能的影響。制備了更適合于滲透汽化的復(fù)合膜,采用尼龍微孔膜作為聚膦腈的載體,以甲苯為聚膦腈溶劑,水為微孔填充劑形成復(fù)合膜,該復(fù)合膜具有良好的機械穩(wěn)定性,使用壽命長。詳細(xì)研究了氧氣、引發(fā)劑、交聯(lián)溫度和時間對膜性質(zhì)的影響,進而優(yōu)化了制備條件。根據(jù)以上結(jié)果總結(jié)了具體的交聯(lián)機理。最后研究了膜溶解性和溶脹性能與分離性能

4、間的關(guān)系,通過交聯(lián)明顯提高了分離膜的分離選擇性,與非交聯(lián)膜相比,交聯(lián)膜對5％乙醇、丙酮和四氫呋喃的分離系數(shù)分別提高了0.9、4.8和7.8。
　　 設(shè)計并制備了分別含乙氧基,三氟乙氧基和八氟戊氧基的線性聚膦腈膜,研究了側(cè)基分子結(jié)構(gòu)對于乙醇-水混合物的滲透汽化分離性能的影響。溶脹實驗表明三氟乙氧基取代聚膦腈膜具有最大的乙醇溶解能力,而八氟戊氧基取代聚膦腈膜具有最大的憎水能力,通過極性和非極性溶解度參數(shù)的分析很好地解釋了溶脹現(xiàn)象。滲

5、透汽化結(jié)果表明三氟乙氧基取代聚膦腈膜分離性能最好,主要來自于其最好的擴散選擇性。對于40℃,10％乙醇水溶液,分離系數(shù)可達(dá)6.1,而滲透流量達(dá)到260 g·m-2·h-1,均略好于通常硅橡膠膜的性能。而八氟戊氧基取代聚膦腈對于乙醇的溶解選擇性最好,但擴散選擇性差,導(dǎo)致了整體選擇性的落后。研究結(jié)果很好地揭示了側(cè)基極性、大小和柔順性與分離性能的內(nèi)在關(guān)系。
　　 設(shè)計并制備了不同三氟乙氧基含量的親有機物線性聚膦腈膜,考察了它們對不同有

6、機物-水體系包括四氫呋喃-水、丙酮-水和乙醇-水的分離性能。合成聚膦腈膜對40℃,5％乙醇水溶液、丙酮水溶液和四氫呋喃水溶液的分離系數(shù)最高分別達(dá)到7.9、24.1和30.2,明顯優(yōu)于聚二甲基硅氧烷膜,同時對于乙醇水溶液,聚膦腈膜還顯示更高的滲透流量(273 g·m-2·h-1)。通過調(diào)整三氟乙氧基含量進一步優(yōu)化了聚膦腈膜的分離性能。采用溶解度參數(shù),玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和接觸角分析給予了相應(yīng)的理論解釋,最后研究了不同溫度和有機物濃度對于滲透汽化

7、性能的影響。
　　 設(shè)計并制備了聚二甲基硅氧烷膜/膦腈納米管復(fù)合膜,掃描電鏡證明膦腈納米管能夠在聚合物中均勻分散,溶脹實驗證明膦腈納米管的引入增大了膜對乙醇的親和能力,溶解度參數(shù)分析說明膦腈納米管對乙醇有很好的親和性和對水有很好的憎水性。滲透汽化實驗證明膦腈納米管的引入同時極大地提高了分離系數(shù)和流量,最高分離系數(shù)可達(dá)10,而滲透流量提高了1倍,達(dá)到478 g·m-2·h-1。隨著膦腈納米管含量提高,分離因子提高到最大值后基本保持