基于MMT有机/无机杂化渗透汽化膜的制备与应用

论文摘要

渗透汽化作为一种新型分离技术,用于结构相近的有机/有机混合体系分离具有重要的节能和环保意义。本文合成了聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸P（MMA-co-AA）/蒙脱土（MMT）杂化材料制备成渗透汽化膜用于分离二甲苯异构体。研究了膜材料与二甲苯异构体之间的相互作用及其对渗透汽化性能的影响,并运用溶解扩散机理对膜的性能进行了讨论。论文首先利用离子交换法对MMT进行有机化改性,得到疏水性更强的蒙脱土。采用改性MMT和过硫酸钾（K2S2O3）作为氧化还原引发剂引发的乳液插层聚合法得到了聚甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸/蒙脱土（P（MMA-co-AA）/MMT）纳米复合材料。由XRD和FTIR证明了钠基蒙脱土被成功有机化,蒙脱土片层在P（MMA-co-AA）共聚物基质中存剥离状形态存在,证明了杂化材料中无机物与高分子链之间相互作用的存在,由TGA进一步证明了该杂化材料的热稳定性得到了提高。选取了五个不同无机含量的P（MMA-co-AA）/MMT杂化物（0、2、6、8、10 wt%）制成渗透汽化膜,考察其在二甲苯体系中的溶胀性能,并利用扩散系数公式计算了不同二甲苯在膜内的扩散系数,结果表明对二甲苯在膜中的扩散系数大于邻二甲苯在膜中的扩散系数,发现该渗透汽化为扩散控制过程。通过考察杂化膜无机含量、过程操作温度和料液浓度等三个因素对杂化膜分离二甲苯异构体渗透汽化性能的影响,发现杂化膜的渗透汽化性能优于纯的P（MMA-co-AA）膜,无机含量为6 wt%时分离因子达到最大值1.314,渗透通量和分离因子不仅与杂化膜和料液的相互作用有关,也与膜的结构有关;在温度变化过程中,通量随温度的变化符合Arrhenius方程,发现邻二甲苯在该渗透汽化膜中的活化能要大于对二甲苯在该膜中的活化能。在p-/o-xylene体系中,分离因子随料液组成的变化出现了选择性转变的情况,发现渗透汽化过程中控制因素发生了转变。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 渗透汽化膜概述
• 1.1.1 渗透汽化过程原理
• 1.1.2 渗透汽化过程传质原理
• 1.1.3 渗透汽化的应用
• 1.2 二甲苯异构体性质及应用
• 1.3 二甲苯异构体国内外生产状况
• 1.4 工业分离二甲苯异构体方法
• 1.5 渗透汽化膜分离二甲苯异构体的研究进展
• 1.5.1 无机分子筛膜
• 1.5.1.1 MFI 型（ZSM-5）沸石分子筛膜
• 1.5.1.2 修饰MFI 膜
• 1.5.1.3 FER 膜
• 1.5.2 有机高分子膜
• 1.5.2.1 直接利用有机高分子膜对液体进行渗透汽化分离
• 1.5.2.2 在料液中加入添加剂提高膜的选择性
• 1.5.2.3 引入特殊基团或组分提高膜的选择性
• 1.6 有机/无机杂化膜的研究进展
• 1.6.1 有机/无机杂化材料的制备方法
• 1.6.2 有机/无机杂化膜的制备与应用进展
• 1.7 本课题的研究意义与内容
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 试剂与材料
• 2.1.1 化学试剂
• 2.1.2 膜材料及支撑膜
• 2.2 实验仪器及装置
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 有机化装置
• 2.2.3 乳液聚合反应装置
• 2.2.4 渗透汽化测试装置
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 有机化蒙脱土的制备与表征
• 2.3.2 有机/无机杂化材料的制备与表征
• 2.3.3 有机/无机杂化均质膜的制备
• 2.3.4 溶胀实验
• 2.3.5 有机/无机杂化膜的制备与表征
• 2.3.6 渗透汽化测试方法
• 2.4 分析方法及条件
• 第三章有机/无机杂化膜P（MMA-CO-AA）/MMT 的制备及表征
• 3.1 前言
• 3.2 结论
• 3.2.1 红外光谱分析
• 3.2.2 XRD 分析
• 3.2.3 TGA 分析
• 3.2.4 TEM 分析
• 3.2.5 SEM 分析
• 3.2.6 接触角实验结果
• 3.3 小结
• 第四章 P（MMA-CO-AA）/MMT 纳米复合材料的成膜性及膜的吸附与扩散性能
• 4.1 前言
• 4.2 结论
• 4.2.1 MMT 含量对溶胀行为的影响
• 4.2.2 扩散系数的计算
• 4.2.3 MMT 含量对扩散系数的影响
• 4.3 小结
• 第五章 P（MMA-CO-AA）/MMT 膜的渗透汽化分离性能研究
• 5.1 前言
• 5.2 结论
• 5.2.1 蒙脱土含量对渗透汽化性能的影响
• 5.2.2 料液对渗透汽化性能的影响
• 5.2.3 温度对渗透汽化性能的影响
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录表
• 附录：攻读硕士学位期间发表的论文