聚酰胺復合膜的微結構及其傳遞行為的實驗研究.pdf

1、膜科學技術是一門新興的高科技,也是一門多學科交叉的科學技術。膜分離過程,已成為食品加工、生物制藥、水處理等重要生產(chǎn)中分離與純化的重要過程,并以得到廣泛應用。各種膜分離的過程,又以不同結構和性能的膜為主要決定因素。因此,膜材料和成膜條件,如何控制其結構,以及膜的傳遞過程等,都是膜科學技術領域的重要內(nèi)容。 近年來,旨在食品加工、生物制藥等領域中進行有機物/水混合物的分離,以反滲透(RO)脫鹽用的芳香族聚酰胺(PA)類復合膜為支撐膜,

2、采用涂敷法制備聚乙烯醇(PVA)/PA復合膜以及界面縮聚(IP)法制備多層PA復合膜的工藝已有較系統(tǒng)的研究。然而,分離層為單層結構的復合膜在性能方面會受到復合工藝和單一材料的-些限制。因此,將兩種不同的成膜方法組合,制備分離層為多層交替結構的具有高性能的復合膜--多層交替復合膜(MLCM),是成膜技術的一個創(chuàng)新。 本文基于PVA膜、PA膜都具有高度水滲透性以及對有機物都有一定的分離能力的特性,在PA類RO復合膜上,通過浸涂PVA

3、形成一薄膜層以及IP工藝得到PA高分子層,強化復合膜的透水性,彌補PA膜的低分離性能,開發(fā)PV分離有機物/水混合物的具有特殊分離層結構的新型的MLCM。本方法無需特別的制膜設備和過多的高分子材料,僅需要浸涂和IP兩道工藝,就可以獲得性能優(yōu)良的PA復合膜,該工藝設備簡單,操作簡便安全,制備條件易控。通過現(xiàn)代儀器原子力顯微鏡(AFM)和掃描電鏡(SEM)對MLCM表面結構觀測分析,確定通過交替復合工藝將RO用的商品PA膜改性成為具有均勻致密

4、分離層的MLCM,使MLCM在微結構和優(yōu)先選擇滲透性兩方面都得到了優(yōu)化。 IP工藝制得的PA層是具有三維空間結構的網(wǎng)狀PA聚合物,增加了膜的比表面積,同時具有上緊下松的不對稱的致密結構,提高了功能層的有效滲透面積,有利于復合膜選擇性和通量的提高：浸涂的PvA交聯(lián)層起到了三個作用,首先為IP反應提供良好的支撐體,其次為PV分離時優(yōu)先透過PA皮層的滲透物提供良好的輸送通道,再次可將透過頂層PA層的滲透物進行又一次的選擇性分離,具有雙

5、重選擇性分離功能。該組合復合工藝解決了其他復合工藝存在的復合膜分離性能取決于單一材料固有性能的問題,有利于復合膜的優(yōu)先選擇滲透性能的提高；PA/PVA的親水性雙層結構,降低了單一分離層的厚度問題,有利于復合膜的滲透通量增加。 通過對PA/PVA/PA復合膜制備和傳遞性能實驗的研究表明： (1)采用以下工藝條件制備的MLCM分離性能良好,用于PV分離異丙醇(IPA)/水混合物時,滲透液中水含量(CP-H2O)大于99wt％

6、。浸涂工藝條件:PVA質(zhì)量分數(shù)為2wt％,交聯(lián)劑戊二醛為3wt％,熱處理條件為150℃,1h;IP工藝條件：水相溶液中間苯二胺(m-PDA)為0.2wt％,浸漬時間為20min,有機相溶液(溶劑為正己烷)中均苯三甲酰氯(TMC)為0.07wt％,浸漬時間為20s,50℃條件下反應5min,縮聚2次。 (2)PA/PVA/PA MLCM的滲透通量(J)和分離因子(α)與料液中IPA濃度(CF-IPA)以及操作溫度(T)密切相關。隨

7、著CF-IPA和T值的提高,CP-H2O始終大于99wt％。通過對實驗數(shù)據(jù)的回歸,建立了可預測PA/PVA/PA MLCM通量J值的傳質(zhì)經(jīng)驗關聯(lián)式： 組分水的滲透通量： Jw=0.059(CF-IPA)2-9.3179CF-IPA+434.11 組分IPA的滲透通量： JIPA=0.0007(CF-IPA)2-0.1133(CF-IPA)+4.5859 總通量與T的關聯(lián)式： J=67171

8、.21exp〔-1940.6/T〕 (3)PA/PVA/PA MLCM可以用多種類型的多孔膜作為支撐膜,其制備工藝具有良好的穩(wěn)定性和廣泛的適用性。 (4)經(jīng)反復實驗運行以及長期貯存后的PA/PVA/PA MLCM仍具有良好穩(wěn)定的PV分離IPA/水混合物的性能。 (5)PA/PVA/PA MLCM適于分離各種濃度的IPA/水混合物。通過與精餾耦合的精餾/PV/精餾集成工藝中的模擬實驗表明,MLCM的滲透通量達200