用于酯化反应—渗透蒸发耦合过程的高性能脱水膜的研究

论文摘要

乳酸乙酯作为一种极具开发价值和应用前景的绿色溶剂,其传统脱水生产工艺存在脱水温度高、能耗大、原料损耗大、费用高等缺点,有必要开发具有节能降耗减排特点的新工艺,使其既有较高的乳酸乙酯产率,又能实现低温度、低能耗和低成本生产。渗透蒸发-酯化反应耦合工艺以其绿色、高效、节能的突出特点而具有重要的研发价值,渗透蒸发技术应用于酯化反应脱水体系的关键技术是高性能渗透蒸发脱水膜的研制。本论文以壳聚糖（CS）为主体膜材料,制备了壳聚糖-无机杂化膜（包括CS/SiO2和CS/TiO2杂化膜）、改性壳聚糖交联膜（q-CS/GA交联膜）和改性壳聚糖-无机杂化膜（q-CS/TiO2杂化膜）。并采用FTIR、SEM、XRD、DMA、TG、DSC和接触角测定等方法对制备的渗透蒸发脱水膜进行了表征。系统研究了膜的溶胀吸附、渗透蒸发脱水性能和其对乳酸和乙醇酯化耦合反应的影响。论文重点考察了有机-无机杂化、季铵化、交联等改性手段对壳聚糖膜的物理化学性质、形态结构和溶胀吸附性能的影响,进而研究了对壳聚糖膜渗透蒸发脱水性能的影响以及对酯化反应的影响。无机纳米粒子的引入、壳聚糖-NH2中取代基-（CH3）3Cl的引入以及戊二醛交联剂的加入破坏了壳聚糖高分子间的氢键作用,使得膜的亲水性增加,结晶度减小,渗透蒸发脱水性能得到一定提高,对乳酸和乙醇酯化反应生成乳酸乙酯的产率有明显促进作用。使用CS/SiO2（02）、CS/TiO2（06）杂化膜、q-CS/GA（1.5）交联膜和q-CS/TiO2（06）杂化膜的酯化反应-渗透蒸发耦合过程的乳酸乙酯产率分别为79.9、78.2、80.7、78.8wt.%,而使用纯壳聚糖膜的耦合过程乳酸乙酯产率为65.5wt.%,没有与渗透蒸发过程耦合的酯化反应酯产率仅为60.8wt.%。采用分子动力学模拟方法建立了壳聚糖-SiO2杂化膜的结构模型,研究了壳聚糖和SiO2无机粒子间的相互作用、壳聚糖-SiO2杂化膜的自由体积特性及无机粒子的加入对水和乙醇在膜中扩散过程的影响。结果表明杂化膜内能够容纳乙醇分子的自由体积分数降低程度远大于能够容纳水分子的自由体积空穴分数,使得杂化膜扩散选择性明显升高,且SiO2粒子越小,扩散选择性增加越明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 乳酸乙酯简介
• 1.1.1 乳酸乙酯的性质
• 1.1.2 乳酸乙酯的用途
• 1.1.3 乳酸乙酯的合成
• 1.2 渗透蒸发有机物脱水的研究
• 1.2.1 渗透蒸发简介
• 1.2.2 渗透蒸发有机物脱水膜材料的研究现状
• 1.3 渗透蒸发与酯化反应耦合
• 1.4 渗透蒸发膜材料的分子模拟
• 1.4.1 分子模拟方法
• 1.4.2 分子模拟研究在渗透蒸发中的应用现状
• 1.5 论文选题与主要研究思路
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂与仪器设备
• 2.1.1 材料与试剂
• 2.1.2 实验设备
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 渗透蒸发膜的表征
• 2.2.2 溶胀和吸附实验
• 2.2.3 渗透蒸发实验
• 2.2.4 酯化反应实验
• 2.2.5 酯化反应－渗透蒸发耦合实验
• 2.3 小结
• 第三章 壳聚糖－无机杂化膜用于渗透蒸发脱水及酯化反应－渗透蒸发耦合过程
• 3.1 前言
• 3.2 壳聚糖－无机杂化膜的制备
• 2杂化膜的制备'>3.2.1 CS/SiO₂杂化膜的制备
• 2杂化膜的制备'>3.2.2 CS/TiO₂杂化膜的制备
• 3.3 壳聚糖－无机杂化膜的物理化学性质与结构形态
• 3.3.1 壳聚糖－无机杂化膜的化学结构
• 3.3.2 壳聚糖－无机杂化膜的形貌与物理结构分析
• 3.3.3 壳聚糖－无机杂化膜的热稳定性分析
• 3.4 壳聚糖－无机杂化膜的渗透蒸发脱水性能
• 3.4.1 壳聚糖－无机杂化膜的溶胀吸附行为
• 3.4.2 无机组分对壳聚糖－无机杂化膜渗透蒸发脱水性能的影响
• 3.4.3 操作条件对壳聚糖－无机杂化膜渗透蒸发脱水性能的影响
• 3.5 壳聚糖－无机杂化膜用于酯化反应－渗透蒸发耦合过程
• 3.5.1 无机含量对壳聚糖－无机杂化膜在耦合过程中应用的影响
• 3.5.2 反应条件对酯化反应的影响
• 3.6 小结
• 第四章 改性壳聚糖交联膜用于渗透蒸发脱水及酯化反应－渗透蒸发耦合过程
• 4.1 前言
• 4.2 交联q-CS 膜的制备
• 4.2.1 q-CS 的制备
• 4.2.2 交联q-CS 膜的制备
• 4.3 交联q-CS 膜的物理化学性质与结构形态
• 4.3.1 交联q-CS 膜的化学结构
• 4.3.2 交联q-CS 膜的形貌与物理结构
• 4.3.3 交联q-CS 膜的热稳定性分析
• 4.4 交联q-CS 膜的渗透蒸发脱水性能
• 4.4.1 交联q-CS 膜的溶胀吸附行为
• 4.4.2 交联度对交联q-CS 膜渗透蒸发脱水性能的影响
• 4.4.3 操作条件对交联q-CS 膜渗透蒸发脱水性能的影响
• 4.5 交联q-CS 膜用于酯化反应－渗透蒸发耦合过程
• 4.5.1 GA 含量对交联q-CS 膜在耦合过程中应用的影响
• 4.5.2 反应条件对酯产率的影响
• 4.6 小结
• 第五章 改性壳聚糖－无机杂化膜用于渗透蒸发脱水及酯化反应－渗透蒸发耦合过程
• 5.1 前言
• 2 杂化膜的制备'>5.2 q-CS/TiO₂杂化膜的制备
• 2 杂化膜的物理化学性质与结构形态'>5.3 q-CS/TiO₂杂化膜的物理化学性质与结构形态
• 2 杂化膜的化学结构'>5.3.1 q-CS/TiO₂杂化膜的化学结构
• 2 杂化膜的形貌与物理结构'>5.3.2 q-CS/TiO₂杂化膜的形貌与物理结构
• 2 杂化膜的热稳定性分析'>5.3.3 q-CS/TiO₂杂化膜的热稳定性分析
• 2 杂化膜的渗透蒸发脱水性能'>5.4 q-CS/TiO₂杂化膜的渗透蒸发脱水性能
• 2 杂化膜的溶胀吸附行为'>5.4.1 q-CS/TiO₂杂化膜的溶胀吸附行为
• 2 杂化膜渗透蒸发脱水性能的影响'>5.4.2 无机组分对q-CS/TiO₂杂化膜渗透蒸发脱水性能的影响
• 2 杂化膜渗透蒸发脱水性能的影响'>5.4.3 操作条件对q-CS/TiO₂杂化膜渗透蒸发脱水性能的影响
• 2 杂化膜用于酯化反应－渗透蒸发耦合过程'>5.5 q-CS/TiO₂杂化膜用于酯化反应－渗透蒸发耦合过程
• 2含量对q-CS/TiO₂ 杂化膜在酯化反应中的影响'>5.5.1 TiO₂含量对q-CS/TiO₂杂化膜在酯化反应中的影响
• 5.5.2 反应条件对酯产率的影响
• 5.6 乳酸和乙醇酯化反应－渗透蒸发脱水膜的脱水性能及酯产率比较
• 5.7 小结
• 第六章 渗透蒸发脱水有机－无机杂化膜的分子动力学模拟
• 6.1 理论基础
• 6.2 分子动力学模拟方法确定
• 6.2.1 分子动力学模拟软件
• 6.2.2 模拟参数的选择
• 6.2.3 物性参数及扩散系数的计算
• 2 杂化膜的分子动力学模拟'>6.3 CS-SiO₂杂化膜的分子动力学模拟
• 2 杂化膜模型的建立与优化'>6.3.1 CS 空白膜与CS-SiO₂杂化膜模型的建立与优化
• 6.3.2 高分子链运动性
• 6.3.3 自由体积
• 2 杂化膜中扩散过程的分子动力学模拟'>6.4 S-SiO₂杂化膜中扩散过程的分子动力学模拟
• 6.5 小结
• 第七章 结论与展望
• 一、 结论
• 二、主要创新点
• 三、研究展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢