论文摘要
膜技术被认为在二十一世纪的创新工业中起着战略作用。膜材料始终是整个膜分离过程的核心，其性能的改进是国内外膜科技发展中的一个关键课题，将对混合物的分离效果和设备的投资产生重大影响。近年来，研究用合适的膜材料改性技术，将已大规模工业生产的反渗透（RO）脱盐用的聚酰胺（PA）膜，开发成分离有机物的新型渗透汽化（PV）膜，已取得了重大进展。本文将高度亲水性且具有高分离因子的聚乙烯醇（PVA）与高度透水性的PA反渗透膜进行复合，制备成PVA／PA复合膜，用于PV分离异丙醇水混合物，并通过制膜配方、工艺和操作条件的优化，改善PVA／PA复合膜的分离性能。这种方法是利用现成的商品PA膜，将PVA材料复合上去即可，工艺设备简单，操作方便，易于实现工业化生产。通过现代仪器AFM和SEM对膜表面结构的观察分析，以及PA膜与PVA／PA复合膜、PVA均质膜和PVA／PA复合膜PV分离性能的对比实验，确定可以通过复合工艺将RO用的商品PA膜改性成PV用的有致密分离层的PVA／PA复合膜，而且效果非常明显。从SEM照片明显地看出，RO用商品PA膜的表面非常粗糙，而PVA／PA复合膜表面由于复合了一层PVA而变得较为平滑。AFM照片显示的膜表面的三维结构形貌图表明，PA膜表面是凹凸不平的，最高凸出点达200nm左右，而复合了PVA的PVA／PA复合膜表面的粗糙度得到明显改进，微囊最高凸出点骤降至4nm左右，这是由于复合上的PVA修正了PA膜表面微囊间的空隙的结果。通过对膜制备条件，包括交联剂、热处理及PVA浓度和操作条件对PVA／PA复合膜性能的影响，以及复合膜分离性能的稳定性实验研究，结果表明：（1）铸膜液中PVA浓度强烈地影响复合膜的分离性能；马来酸（MA）交联的复合膜比戊二醛交联的复合膜分离性能好。铸膜液中组份的最佳浓度为：PVA 7wt％，MA 5wt％。（2）热处理温度对PVA／PA复合膜的PV分离性能的影响较热处理时间的显著。PVA／PA复合膜的最佳热处理条件为温度150℃左右，处理时间1h左右。（3）PVA／PA复合膜的渗透通量（J）和分离因子（α）与料液中IPA浓度(CF-IPA)以及操作温度（T）密切相关。随着CF-IPA和T值的提高，渗透液中IPA的含量始终小于1.0wt％。通过对实验数据的回归，建立了可以预测PVA／PA复合膜J值的传质经验关联式：组份水的渗透通量Jw=-1.58CF-IPA+179.38组份IPA的渗透通量JIPA=-0.013CF-IPA+1.35总渗透通量J=1669.03exp（-1105.5/T）（4）经反复实验运行以及长期贮存后的PVA／PA复合膜，PV分离IPA水混合物的性能稳定。（5）在IPA水混合物的共沸温度80.4℃时，PVA／PA复合膜的渗透通量达73.10g／m2·h，渗透液的水含量大于99.0wt％。因此，在蒸馏工艺后序耦合PV脱水工艺的设计中，可以将PVA／PA复合膜应用于食品、生物、制药工程中大量溶媒IPA水混合物的分离，从而省却传统分离工艺中的恒沸精馏塔和溶剂回收塔，节省费用。具有高分离性能的PVA／PA复合膜，将在实际的分离工程中显示其重要的应用价值。