壳聚糖渗透汽化膜的制备及分离异丙醇/水的性能研究

论文摘要

渗透汽化分离是一种高效、节能的分离技术，特别适用于近沸及恒沸混合物的分离。其中，异丙醇脱水是近年来有机物脱水领域中很重要的一个分离体系。异丙醇在工业上有十分广泛的应用。壳聚糖是一种天然的渗透汽化膜材料，不仅来源丰富，成本低，亲水性好，还具有良好的成膜性能，较高的机械强度和抗化学腐蚀能力。因此，壳聚糖膜一直受到膜科学研究者的普遍关注。本文较为系统的研究了影响壳聚糖膜分离性能的一些因素，制得了具有高渗透通量、良好选择分离效果的壳聚糖渗透汽化均质膜和复合膜，用于异丙醇和水的分离。并对渗透汽化中出现的反Trade-off现象进行了较为深入的研究。本文研究了壳聚糖分子量，脱乙酰度对膜渗透汽化性能的影响，发现分子量为3.0×105，脱乙酰度为90％的壳聚糖制备的均质膜具有较好的分离性能。如，在50℃时，该膜用于分离水含量为90 wt％IP／H2O混合液时，分离因子达到2100，通量为680g／m2h。通过考察操作温度、进料液浓度以及不同进料液体系等对膜渗透汽化性能的影响，发现壳聚糖膜用于分离不同醇水体系时，都出现了反Trade-off现象，并随分离体系IP／H2O，EtOH／H2O和MeOH／H2O依次减弱。研究结果表明，反trade-off现象不仅与被分两组份分子尺寸大小差异有关，还与壳聚糖膜制备条件密切相关。并且认为，凡是使壳聚糖均质膜带有正电荷质子的成膜条件都将导致膜结构更为规整和致密，从而容易使膜发生反trade-off现象。本文还通过界面反应法制备了新型壳聚糖（CS）一部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）聚电解质复合膜用于异丙醇脱水。考察了CS／HPAM复合膜的组成、操作温度，进料液组成等因素对复合膜分离IP／H2O渗透汽化性能的影响。发现CS与HPAM质量比为75：25时的复合膜具有最好的分离性能，此时，CS和HPAM所带有正、负离子的摩尔数为1：1。在50℃时，该膜用于分离水含量为90wt％IP／H2O混合液时，分离因子达到16000，通量为400g／m2h。随着进料液中水含量的增加，复合膜分离因子下降，而渗透通量增大。操作温度对不同组成的复合膜的影响规律不一致。与壳聚糖均质比较，CS／HPAM复合膜具有工业应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述与课题的提出
• 1.1 膜分离技术的发展状况
• 1.2 分离膜的种类
• 1.3 渗透汽化膜的研究状况
• 1.3.1 渗透汽化膜的发展历史
• 1.3.2 渗透汽化膜的传递过程
• 1.3.3 渗透汽化膜过程传质机理
• 1.3.4 渗透汽化膜的应用
• 1.3.5 影响渗透汽化性能的因素
• 1.4 壳聚糖膜的研究状况
• 1.4.1 壳聚糖渗透汽化膜
• 1.4.1.1 壳聚糖类渗透汽化膜的制备和改性
• 1.4.1.2 壳聚糖膜在渗透汽化分离领域的应用
• 1.4.1.3 壳聚糖膜研究中存在的问题及发展方向
• 1.4.2 壳聚糖其他类膜
• 1.4.2.1 壳聚糖反渗透膜
• 1.4.2.2 壳聚糖超滤膜
• 1.4.2.3 壳聚糖智能响应膜
• 1.5 课题的提出及内容
• 1.5.1 研究目的、意义
• 1.5.2 研究内容概述
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 化学试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验
• 2.2.1 壳聚糖分子量测定
• 2.2.2 脱乙酰度的测定
• 2.2.3 红外光谱分析
• 2.2.4 壳聚糖膜形态结构表征
• 2.3.5 壳聚糖膜的渗透汽化性能测定
• 2.3.5.1 渗透汽化装置及测试
• 2.3.5.2 料液及透过液的分析
• 2O的渗透汽化性能及反Trade-off现象研究'>第三章 壳聚糖均质膜分离IP/H₂O的渗透汽化性能及反Trade-off现象研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 壳聚糖渗透汽化均质膜的制备
• 3.2.2 壳聚糖均质膜的后处理条件
• 3.2.2.1 NaOH溶液浓度
• 3.2.2.2 NaOH溶液中浸泡时间
• 3.2.2.3 干燥时间
• 3.2.2.4 料液中浸泡时间
• 3.2.3 壳聚糖溶胀膜的制备及溶胀度测定
• 3.2.3.1 溶胀用膜的制备
• 3.2.3.2 膜溶胀度测定
• 3.2.4 壳聚糖均质膜结构的表征
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 壳聚糖均质膜的溶胀度依赖性
• 3.3.1.1 浸泡时间
• 3.3.1.2 浸泡温度
• 3.3.1.3 料液组成
• 3.3.2 壳聚糖均质膜的渗透汽化性能
• 3.3.2.1 壳聚糖分子量
• 3.3.2.2 壳聚糖脱乙酰度
• 3.3.2.3 料液浓度
• 3.3.2.4 分离体系
• 3.3.3 壳聚糖均质膜的反Trade-off现象及其依赖性
• 3.3.3.1 壳聚糖均质膜的反Trade-off现象
• 3.3.3.2 碱液浓度依赖性
• 3.3.3.3 碱处理时间依赖性
• 3.3.3.4 料液浸泡时间依赖性
• 3.3.3.5 40℃存放时间依赖性
• 3.7 本章小节
• 第四章 壳聚糖复合膜的制备及分离IP/H2O渗透汽化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 部分水解聚丙烯酰胺的合成及[η]和水解度测定
• 4.2.1.1 部分水解聚丙烯酰胺的合成
• 4.2.1.2 部分水解聚丙烯酰胺[η]测定
• 4.2.1.3 部分水解聚丙烯酰胺水解度测定
• 4.2.2 壳聚糖/部分水解聚丙烯酰胺复合膜的制备
• 4.2.3 CS/HPAM复合膜结构表征
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 复合膜渗透汽化性能的CS/HPAM组成依赖性
• 4.3.2 复合膜渗透汽化性能的操作温度依赖性
• 4.3.3 复合膜渗透汽化性能的料液组成依赖性
• 4.4.4 复合膜渗透汽化性能的比较
• 4.4.4.1 复合膜与均质膜
• 4.4.4.2 复合膜与其他膜
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文结论
• 参考文献
• 硕士期间完成的论文
• 致谢