反Trade-off效应的有机—无机杂化渗透蒸发膜的研究

论文题目: 反Trade-off效应的有机—无机杂化渗透蒸发膜的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 化学工艺

作者: 彭福兵

导师: 姜忠义

关键词: 反效应,有机无机杂化膜,渗透蒸发,界面形态,自由体积,模拟

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文首先探索了有机-无机杂化膜的设计理论:首次提出有机-无机界面形态理论,总结了五种界面形态;提出网络孔-聚集孔理论,指出网络孔和聚集孔的尺寸和数目直接影响膜的自由体积,并最终决定膜的渗透性和选择性。论文以试图解决高分子膜中的Trade-off效应为出发点,采用聚乙烯醇(PVA)膜和苯/环己烷混合物为模型体系,制备了两类有机-无机杂化膜:第I类包括PVA-CG、PVA-CNT、PVA-CMS、PVA-SiOx和PVA-SiNT杂化膜;第II类包括PVA-GPTMS杂化膜。采用FTIR、NMR、SEM、TEM、XRD、DMA、TG和PALS等方法对杂化膜进行了表征,系统研究了杂化膜的溶胀吸附、扩散和渗透蒸发性能。重点考察了PVA-CG和PVA-GPTMS杂化膜的反Trade-off效应,并进行了较为系统的理论分析。PVA-CG杂化膜对苯/环己烷(50/50, wt)混合物的渗透通量和分离因子分别达90.7g/(m2 h)和100.1,其反Trade-off效应归结于理想界面形态的创造、自由体积的增大以及网络孔尺寸和数目的适当调控。研究了PVA-GPTMS杂化膜形成机理及其理化结构模型,考察了GPTMS含量、热处理温度和时间对PVA-GPTMS杂化膜的自由体积分数、网络孔聚集孔尺寸和数目的影响,进而研究了其对PVA-GPTMS杂化膜溶胀吸附、扩散和渗透蒸发性能影响,初步揭示了PVA-GPTMS杂化膜反Trade-off效应的机理。当热处理温度和时间分别为393K和1h,PVA-GPTMS-28杂化膜的渗透通量和分离因子分别可达137.1 g/(m2 h)和46.9,明显优于文献中聚乙烯醇基渗透蒸发膜。还考察了原料液浓度、操作温度和原料液流速等操作条件对PVA-CG杂化膜和PVA-GPTMS杂化膜的溶胀吸附、扩散和渗透蒸发性能的影响。采用分子动力学模拟方法研究了PVA和不同结构石墨之间的相互作用、PVA膜和PVA-CG杂化膜的自由体积特性等。结果表明含有羟基和羧基的石墨的引入更有利于降低PVA体系的氢键键能;PVA和石墨之间的氢键力越强,其界面处的自由体积孔穴尺寸越理想,当二者之间没有氢键等弱相互作用时,易于形成较大的无选择性缺陷孔。研究了渗透蒸发膜微观结构和宏观分离性能之间的内在关系。结果表明根据表观自由体积分数的大小能定性预测膜的渗透性能;首次提出了关联杂化膜渗透通量与表观自由体积分数的数学模型;首次关联了杂化膜网络孔尺寸和分离因子的关系,发现网络孔尺寸介于0.26-0.28nm的杂化膜分离苯/环己烷的分离因子均较高。界面形态与宏观分离性能的内在关系表明,有机和无机成分之间的弱相互作用力有利于形成较理想的界面形态。最后初步提出了有机-无机杂化膜材料选择原则。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

前言

第一章文献综述

1.1 研究背景

1.1.1 渗透蒸发过程简介

1.1.2 高分子膜中的Trade-off效应

1.1.3 苯/环己烷的分离方法

1.2 渗透蒸发分离苯/环己烷的研究现状

1.2.1 膜材料

1.2.2 存在问题及发展趋势

1.3 有机－无机杂化膜的研究现状

1.3.1 有机－无机杂化膜的分类

1.3.2 有机－无机杂化膜的制备

1.3.3 有机－无机杂化膜在渗透蒸发中的应用

1.4 高分子膜分子模拟研究现状

1.4.1 分子模拟研究高分子膜的溶解和扩散性能

1.4.2 分子模拟研究高分子膜的自由体积特性

1.5 论文选题与主要研究思路

第二章有机－无机杂化膜的设计理论

2.1 有机－无机界面形态理论

2.2 自由体积理论与网络孔－聚集孔理论

2.2.1 自由体积理论

2.2.2 网络孔－聚集孔理论

2.2.3 正电子湮没寿命谱与自由体积表征

2.3 溶解度参数与亲疏水平衡理论

2.3.1 溶解度参数理论

2.3.2 亲疏水平衡理论

2.4 有机－无机杂化膜材料的设计

2.5 小结

第三章实验部分

3.1 有机－无机杂化膜的制备

3.1.1 材料与试剂

3.1.2 实验设备

3.1.3 有机－无机杂化膜制备过程

3.2 有机－无机杂化膜的表征

3.2.1 红外光谱和核磁共振

3.2.2 扫描电镜与透射电镜

3.2.3 X－射线衍射

3.2.4 动态热机械分析与热重分析

3.2.5 正电子湮没寿命谱

3.3 有机－无机杂化膜的溶胀和吸附实验

3.3.1 实验设备

3.3.2 实验步骤

3.4 渗透蒸发实验

3.4.1 实验设备

3.4.2 实验步骤

3.4.3 评价指标

3.5 小结

第四章反Trade-off效应的碳系有机－无机杂化膜的研究

4.1 研究思路

4.2 材料特性对界面形态及膜性能的影响

4.2.1 有机与无机成分之间的弱相互作用

4.2.2 有机－无机杂化膜微观形貌结构

4.2.3 杂化膜的热重分析和动态热机械性能

4.2.4 材料特性对溶胀吸附性能和渗透蒸发性能的影响

4.3 无机介质含量和粒径对界面形态及分离性能的影响

4.3.1 无机介质含量和粒径对有机－无机界面形态的影响

4.3.2 无机介质含量对杂化膜渗透蒸发性能的影响

4.4 PVA-CG杂化膜的反Trade-off效应及其理论分析

4.4.1 石墨含量对杂化膜溶胀吸附性能的影响

4.4.2 石墨含量和粒径对分离性能的影响

4.5 操作条件对分离性能的影响

4.5.1 原料液浓度的影响

4.5.2 操作温度的影响

4.5.3 原料液流速的影响

4.6 小结

第五章反Trade-off效应的硅系有机－无机杂化膜的研究

5.1 研究思路

5.2 第I类硅系有机－无机杂化膜的研究

5.2.1 有机与无机成分之间的弱相互作用

5.2.2 有机－无机杂化膜微观形貌结构

5.2.3 杂化膜的热重分析和动态热机械性能

5.2.4 材料特性对溶胀吸附性能和渗透蒸发性能的影响

5.2.5 反Trade-off效应及其理论分析

5.3 第II类硅系有机－无机杂化膜的研究

5.3.1 研究思路

5.3.2 PVA-GPTMS杂化膜的化学结构

5.3.3 PVA-GPTMS杂化膜的形貌和物理结构

5.3.4 PVA-GPTMS杂化膜的热重和动态热机械性能分析

5.3.5 PVA-GPTMS杂化膜的自由体积特性

5.3.6 PVA-GPTMS杂化膜结构的理论模型

5.4 PVA-GPTMS杂化膜的反Trade-off效应及其理论分析

5.4.1 PVA-GPTMS杂化膜的反Trade-off效应

5.4.2 无机成分含量对PVA-GPTMS杂化膜分离性能的影响

5.4.3 热处理温度对PVA-GPTMS杂化膜分离性能的影响

5.4.4 热处理时间对PVA-GPTMS杂化膜分离性能的影响

5.5 操作条件对分离性能的影响

5.5.1 原料液浓度的影响

5.5.2 操作温度的影响

5.5.3 原料液流速的影响

5.6 不同聚乙烯醇膜渗透蒸发分离结果比较

5.7 小结

第六章有机－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 力场参数的选择

6.3 PVA膜模型的建立与优化

6.4 PVA-CG杂化膜模型的建立与优化

6.4.1 PVA-CG杂化膜模型的建立

6.4.2 PVA-CG杂化膜模型的优化

6.5 PVA-CG杂化膜的MD模拟

6.5.1 PVA与不同结构的CG之间相互作用

6.5.2 自由体积特性

6.6 小结

第七章渗透蒸发膜微观结构与宏观分离性能的关系

7.1 自由体积特性－宏观分离性能关系

7.2 界面形态－宏观分离性能关系

7.3 有机－无机杂化膜材料选择原则

7.4 小结

第八章结论与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

发布时间: 2007-07-10

参考文献

[1].新型亲水性有机/无机复合渗透蒸发膜的研究[D]. 周立志.复旦大学2005
[2].浓乳液聚合法渗透蒸发分离膜制备及其脱醇性能研究[D]. 石胜鹏.北京化工大学2006
[3].改性酚酞侧基聚芳醚酮渗透蒸发膜的制备及其醋酸脱水性能研究[D]. 陈建华.厦门大学2008
[4].生物启发下的渗透蒸发膜制备与过程强化研究[D]. 李犇.天津大学2010
[5].渗透蒸发膜亲水改性与水传递过程强化研究[D]. 高成云.天津大学2015
[6].生物粘合启发下渗透蒸发复合膜的制备与酯化反应强化[D]. 马静.天津大学2010
[7].高分子—金属有机框架杂化膜的制备与渗透蒸发过程强化[D]. 于胜楠.天津大学2016
[8].用于酯化反应—渗透蒸发耦合过程的高性能脱水膜的研究[D]. 陆连玉.天津大学2008
[9].NaA、FAU和ZSM-5沸石膜的制备及其应用[D]. 李邦民.大连理工大学2009
[10].硅橡胶类渗透蒸发膜及其扩散特性的分子动力学模拟[D]. 方志平.天津大学2009

反Trade-off效应的有机—无机杂化渗透蒸发膜的研究

猜你喜欢