改性纳米白炭黑填充硅橡胶渗透汽化膜的制备及其分离性能研究

论文摘要

膜分离技术具有极大发展前景,近年来已逐渐被广泛应用于现实生产中,渗透汽化是用于液体混合物分离的一种新型膜分离技术,可以有效地分离共沸物,具有效率高、能耗低、操作过程简单等优点,特别适合于难以分离或不能分离的共沸物和近沸物的分离。聚二甲基硅氧烷（硅橡胶,PDMS）是一种综合性能非常好的优先透醇膜材料,但与优先透水渗透汽化膜材料相比,硅橡胶膜对低浓度乙醇/水体系的分离因子不是很高,一般仅为4～10,并且机械强度差,因此许多研究者对硅橡胶膜材料进行改性以提高其机械强度和分离性能。白炭黑作为常用的补强剂,因其外表面存在活性羟基及吸附水使其呈亲水性,在有机相中难分散,影响其应用性能,因此需对白炭黑进行表面改性,提高其与有机相的相容性,拓展应用领域。本文以六甲基二硅氮烷（HMDZ）为主表面处理剂,二甲基二乙氧基硅烷为助处理剂对气相白炭黑进行有机湿法改性,使其具有疏水性,用表面羟基数表征改性白炭黑的改性效果。研究了不同溶剂对白炭黑表面疏水改性效果的影响,结果表明,以甲苯为溶剂,反应温度为110℃,反应时间为90 min时白炭黑可达到较好改性效果；并通过红外光谱分析和透射电镜对其改性效果进行评价,分析表明改性样品的表面接枝有聚合物,使其中二氧化硅含量相对减少；水作溶剂的沉降实验表明改性的白炭黑有极强的疏水性。并且制备了以聚对苯二甲酸乙二醇酯为支撑层、普通白炭黑和疏水改性白炭黑填充的聚二甲基硅氧烷为皮层的硅橡胶复合膜,用WSM-5KN、TGA FT-IR、SEM对膜改性后的拉伸强度、热稳定性、分子结构及物理形貌进行分析与表征,并以乙醇/水物系为研究对象,着重考察了料液浓度、料液温度、膜下侧真空度、疏水白炭黑的含量对硅橡胶复合膜分离性能影响。结果表明填充疏水改性白炭黑的硅橡胶复合膜比填充普通白炭黑的硅橡胶复合膜的热稳定性能明显提高,并且随着疏水改性白炭黑含量的增加硅橡胶复合膜的热稳定性能不断提高,拉伸性能也得到很大改善,拉伸强度从空白膜的1.5 MPa增加到7.4 MPa。电镜分析表明疏水改性白炭黑比普通白炭黑能更好的分散在硅橡胶复合膜中。填充改性白炭黑的硅橡胶复合膜随着料液浓度的增加其分离因子先增加后减小,渗透通量不断增加;随着温度的增加其分离因子先增加后减小,渗透通量不断增加,并且总通量、水通量和乙醇通量的lnJ与1/T均成线性关系,可以用Arrhenius方程描述；随着膜下侧真空度的增加其分离因子和渗透通量均不断增加；随着疏水白炭黑含量的增加其分离因子极值不断增加并且提前。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 序言
• 1.1 膜分离简介
• 1.1.1 膜的定义
• 1.1.2 膜分离分类及特点
• 1.1.3 膜分离技术的应用
• 1.2 渗透汽化
• 1.2.1 渗透汽化简介
• 1.2.2 渗透汽化的传质机理及特点
• 1.2.3 渗透汽化的应用
• 1.3 渗透汽化膜
• 1.3.1 渗透汽化膜材料的物理结构
• 1.3.2 渗透汽化膜材料选择原则
• 1.3.3 渗透汽化膜材料的研究进展
• 1.3.4 优先透有机物渗透汽化可分离有机物的种类
• 1.3.5 渗透汽化膜组件的型式
• 1.3.6 影响渗透汽化性能的主要工艺参数
• 1.4 硅橡胶
• 1.4.1 硅橡胶的分类
• 1.4.2 硅橡胶的特点
• 1.4.3 PDMS膜材料改性
• 1.5 气相白炭黑的发展
• 1.5.1 气相白炭黑的制备
• 1.5.2 气相白炭黑的结构和性质
• 1.5.3 纳米二氧化硅的表面处理
• 1.6 研究课题的意义和内容
• 第二章 实验材料与实验方法
• 2.1 实验原料与仪器
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 纳米白炭黑表面疏水改性
• 2.2.2 PDMS复合膜的制备
• 2.3 纳米白炭黑的分析表征
• 2.3.1 表面羟基数的测定
• 2.3.2 TEM分析
• 2.3.3 FT-IR分析
• 2.3.4 TG分析
• 2.4 纳米白炭黑的沉降试验
• 2.5 硅橡胶复合膜的分析表征
• 2.5.1 FT-IR分析
• 2.5.2 SEM分析
• 2.5.3 拉伸强度的测定
• 2.5.4 TG分析
• 2.6 硅橡胶复合膜的分离性能测定
• 2.6.1 实验流程图及操作步骤
• 2.6.2 膜组件
• 2.6.3 硅橡胶复合膜性能评价
• 2.7 膜的溶胀性能实验
• 第三章 纳米白炭黑表面疏水改性研究
• 3.1 溶剂对改性效果的影响
• 3.2 反应温度对改性效果的影响
• 3.3 反应时间对改性效果的影响
• 3.4 TEM分析
• 3.5 FT-IR分析
• 3.6 纳米白炭黑的沉降试验
• 3.7 本章小结
• 第四章 PDMS复合膜的性能测定
• 4.1 FT-IR分析
• 4.2 SEM分析
• 4.3 拉伸强度的测定
• 4.4 TG分析
• 4.5 料液浓度对分离性能的影响
• 4.6 料液温度对膜分离性能的影响
• 4.7 膜下侧真空度对膜分离性能的影响
• 4.9 改性纳米白炭黑含量对膜分离性能的影响
• 4.10 改性白炭黑含量对复合膜溶胀度的影响
• 4.11 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读硕士学位期间研究成果