PEBA膜擴(kuò)散特性的分子動力學(xué)模擬及PEBA-MCM-41雜化膜分離苯酚-水的滲透汽化性能研究.pdf

1、苯酚作為工業(yè)含酚廢水中的主要污染物，其強(qiáng)腐蝕及難降解的特性，對環(huán)境及人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。從工業(yè)價值及環(huán)境危害性等角度考慮，苯酚的分離、回收具有重要意義。滲透汽化方法作為一種新型的膜分離技術(shù)，相對精餾、吸收等傳統(tǒng)分離工藝具有操作簡單、節(jié)能、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，從而受到廣泛關(guān)注。通過本課題組之前的工作，發(fā)現(xiàn)PEBA-2533對苯酚的滲透汽化效果更好，且將滲透汽化技術(shù)與結(jié)晶工藝耦合，能夠回收得到高純度的結(jié)晶苯酚。由此可見，研究PEBA-253

2、3膜材料的傳質(zhì)特性并提高其滲透汽化效果具有十分重要的意義。本文使用Materials studio(MS)軟件對PEBA-2533膜的擴(kuò)散特性進(jìn)行研究，并通過膜改性方法制備PEBA/MCM-41雜化膜用于提高滲透汽化性能。
　　利用MS軟件構(gòu)建PEBA-2533模型，并通過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)及X射線衍射圖譜(WAXD)對模型、力場的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。構(gòu)建原料液與膜材料界面模型，通過分子動力學(xué)模擬考察苯酚、水分子在膜表面的運(yùn)動情況

3、，從分子角度考察PEBA-2533膜材料對苯酚的優(yōu)先吸附性及膜溶脹過程;構(gòu)建空白PEBA-2533及不同實(shí)驗(yàn)條件下的溶脹模型，考察膜結(jié)構(gòu)與擴(kuò)散過程的內(nèi)在聯(lián)系。使用自由體積分?jǐn)?shù)(FAV)、孔徑分布(CSD)及均方位移(MSD)對膜結(jié)構(gòu)、原料液分子的運(yùn)動進(jìn)行分析;對比不同溫度下苯酚、水分子在膜中擴(kuò)散系數(shù)的模擬值與實(shí)驗(yàn)值，進(jìn)一步證實(shí)模擬結(jié)果的可靠性。結(jié)果表明，苯酚分子與PEBA-2533膜具有更強(qiáng)的親和力，與水分子相比，能夠更快地吸附到膜表面

4、;此外膜鏈段運(yùn)動性增強(qiáng)，體積擴(kuò)張，使得原料液分子更易進(jìn)入膜內(nèi)，發(fā)生溶脹。原料液濃度升高，膜的溶脹導(dǎo)致膜內(nèi)自由體積分?jǐn)?shù)增大，且孔穴尺寸變寬，提高了原料液分子的擴(kuò)散性能;原料液溫度升高，溶脹程度降低，使得膜內(nèi)自由體積分?jǐn)?shù)減少，且孔穴變窄，不利于分子擴(kuò)散，但由于分子自身熱運(yùn)動因溫度升高而增強(qiáng)，二者共同作用使得分子運(yùn)動性增大。對比擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值與模擬值發(fā)現(xiàn)，二者吻合較好，說明模擬結(jié)果是可靠的，并且分子動力學(xué)(MD)方法適用于研究滲透汽化過程中

5、膜的擴(kuò)散特性。
　　將介孔MCM-41顆粒填入PEBA-2533膜中，制備PEBA/MCM-41雜化膜，并用于分離稀水溶液中的苯酚。采用SEM、FT-IR、TGA對膜的形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)及熱穩(wěn)定性進(jìn)行了表征。考察了MCM-41填充量對膜的吸附、擴(kuò)散及滲透汽化分離性能的影響。此外，還考察了原料液濃度、溫度對滲透汽化性能的影響。結(jié)果表明:MCM-41與PEBA-2533之間屬于物理交聯(lián)，制備的雜化膜無缺陷;填充MCM-41使膜溶脹性能及擴(kuò)