壳聚糖膜的制备及渗透蒸发分离乙醇/水体系的研究

论文摘要

本研究选用壳聚糖（CS）和季铵化壳聚糖（q-CS）为主体膜材料,分别以硅酸乙酯（TEOS）和戊二醛（GA）为交联剂,以盐酸为催化剂,制备了壳聚糖膜和季铵化壳聚糖膜,同时采用界面粘合的方法制备了具有不同支撑层的壳聚糖复合膜,通过FTIR、SEM、XRD、DSC、TGA和XPS等方法对膜进行了表征,对膜材料及膜结构与膜分离性能之间的内在联系进行了初步的探索。以TEOS为交联剂制备壳聚糖膜用以渗透蒸发分离90wt.%乙醇/水体系,考察了TEOS的含量及渗透蒸发操作条件对膜的溶胀吸附性能和渗透蒸发性能的影响。研究表明,TEOS水解生成的羟基增强了膜的亲水性,壳聚糖高分子与TEOS分子之间形成了交联结构,抑制了膜的溶胀,同时降低了高分子链的运动性。改变TEOS的含量制备交联度不同的壳聚糖膜,结果表明当TEOS含量为6wt.%时,在原料液温度为80℃,原料液流速为60L/h,下游侧压力小于0.1kPa的条件下膜的分离性能达到最优,通量为281g/m2 h,分离因子为460。以GA为交联剂制备季铵化壳聚糖膜用以渗透蒸发分离90wt.%乙醇/水体系,考察了GA的含量及渗透蒸发操作条件对膜的溶胀吸附性能和渗透蒸发性能的影响。研究表明,-CH3取代了CS氨基上的氢,破坏了壳聚糖的分子链排布,降低了CS的结晶度,q-CS膜表现出了高的通量。改变GA含量制备交联度不同的季胺化壳聚糖膜,当GA对q-CS重复单元的摩尔比为3.9/100时,在原料液温度为80℃,原料液流速为60L/h,下游侧压力小于0.1kPa的条件下,膜的分离性能达到最优,通量为756g/m2 h,分离因子为754。制备了以经多巴胺处理的超滤膜为支撑层的CS复合膜,用以渗透蒸发分离90wt.%乙醇/水体系,考察了多巴胺浓度、支撑层对膜渗透蒸发性能的影响。研究表明,支撑层经粘合剂多巴胺浸泡处理后,与CS界面作用力明显增强,能快速形成超薄、均质的活性分离层,从而显著提高膜的性能。以4mg/mL的多巴胺处理后的聚醚砜（PES）为支撑层,以GA对CS重复单元的摩尔比为0.033的混合体系为铸膜液,利用浸涂的方法可制得活性分离层厚度为45μm的复合膜,在原料液温度为80℃,原料液流速为60L/h,下游侧压力小于0.1kPa的条件下表现出最优的分离性能,渗透通量为1149g/m2 h,分离因子为269。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 乙醇的分离现状
• 1.2 渗透蒸发膜分离乙醇/水体系
• 1.2.1 渗透蒸发过程的原理及特点
• 1.2.2 渗透蒸发膜材料的选择依据
• 1.2.3 渗透蒸发用高分子膜材料
• 1.3 渗透蒸发壳聚糖膜的研究状况
• 1.3.1 均质膜
• 1.3.2 复合膜
• 1.4 论文选题和主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 试剂材料与实验仪器
• 2.2 渗透蒸发膜表征
• 2.2.1 红外光谱
• 2.2.2 扫描电镜
• 2.2.3 X射线衍射
• 2.2.4 热重分析
• 2.2.5 X射线光电子能谱
• 2.2.6 接触角测定
• 2.2.7 差示扫描量热
• 2.3 溶胀吸附实验
• 2.3.1 实验装置
• 2.3.2 实验数据处理
• 2.4 渗透蒸发实验
• 2.4.1 渗透蒸发实验仪器
• 2.4.2 实验装置
• 2.4.3 实验步骤
• 2.4.4 渗透蒸发评价指标
• 2.4.5 气相色谱仪器操作条件
• 2.4.6 原料液和透过液的测定
• 2.4.7 扩散系数的计算
• 第三章 CS-TEOS均质膜的制备与分离性能
• 3.1 前言
• 3.2 膜的制备
• 3.3 CS-TEOS均质膜的表征
• 3.3.1 FT-IR
• 3.3.2 XRD
• 3.3.3 TGA
• 3.3.4 DSC
• 3.4 溶胀吸附实验结果
• 3.5 渗透蒸发实验结果
• 3.5.1 TEOS含量对CS-TEOS膜渗透蒸发性能的影响
• 3.5.2 操作温度对CS-TEOS膜渗透蒸发性能的影响
• 3.5.3 原料液浓度对CS-TEOS膜渗透蒸发性能的影响
• 3.6 小结
• 第四章 交联q-CS均质膜的制备与分离性能
• 4.1 前言
• 4.2 膜的制备
• 4.3 q-CS均质膜的表征
• 4.3.1 FT-IR
• 4.3.2 XRD
• 4.3.3 TGA
• 4.3.4 DSC
• 4.4 渗透蒸发实验结果
• 4.4.1 GA摩尔百分含量对膜的渗透蒸发性能的影响
• 4.4.2 操作温度对膜的渗透蒸发性能的影响
• 4.4.3 原料液中水含量对膜的渗透蒸发性能的影响
• 4.5 小结
• 第五章 交联CS复合膜的制备与分离性能
• 5.1 前言
• 5.2 交联CS复合膜制备
• 5.3 CS复合膜的表征
• 5.3.1 FT-IR
• 5.3.2 XPS
• 5.3.3 SEM
• 5.4 渗透蒸发实验结果
• 5.4.1 活性分离层交联剂含量对复合膜的渗透蒸发性能的影响
• 5.4.2 多巴胺浓度对复合膜的渗透蒸发性能的影响
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢