PVA/沸石分子筛复合膜的制备、性能表征及其渗透汽化的应用

摘要

白色污染、雾霾、石油的大量消耗等环境和资源的问题一直围绕着，成为当今21世纪的热门研究课题。燃料乙醇是开发较早应用前景较为看好的新能源，它或可以通过与普通汽油进行一定比例的调配而达到取代汽油的目的;其排出的尾气多为CO2和水，这样既节约了能源又可以环保。目前获得燃料乙醇的原料来源和途径越来越广泛，研究表明利用秸秆、玉米秆等废弃物可以获得大量的燃料乙醇。异丙醇和正丙醇是用途很广的化工试剂，每年的需求量还在不断地上涨。然而这些低级醇的应用效率都受制于其中的残留水分含量，因此如何通过分离方法除尽其残留水分将是高效利用这些低级醇的有效办法。
　　渗透汽化法是一种应用广泛的膜分离法，它具有低能耗、高效率、设备简单和易操作等优点，主要用于分离痕量物质和共沸物有机物溶液。用于渗透汽化膜的代表性材料就有聚乙烯醇(PVA)，这是一种易降解、无污染、韧性好、耐有机溶剂的水溶性高分子聚合物，它具有很好的亲水性，可以分离有机溶剂/水溶液体系，而且通过聚乙烯醇的各种改性则可以进一步提高其薄膜的分离性能。本文选用两种沸石分子筛ZSM-5和Hβ来对聚乙烯醇进行杂化改性，采用溶液流延法制备了PVA/ZSM-5和PVA/Hβ复合膜。然后运用渗透汽化法分离乙醇/水溶液、异丙醇/水溶液与正丙醇/水溶液，通过通量和分离因子来考察上述两种复合薄膜的分离性能。
　　首先，将纯PVA加入水中，在95℃下溶解，并加入一定量的富马酸，搅拌一定时间后添加沸石分子筛，用流延法制备纯PVA膜、加富马酸的PVA膜及PVA/沸石分子筛复合膜，然后将加入富马酸的PVA膜及PVA/分子筛复合膜放入马弗炉中进行高温交联。
　　其次，对制备的复合膜进行XRD检测、FTIR分析、SEM、热重分析、溶胀度、抗张强度、透光率与雾度测试。结果表明了复合膜具有轻度结晶，分子筛的加入对结晶度的影响不大，而富马酸的加入使得聚乙烯醇成功交联;热重分析的结果也表明添加分子筛的复合膜具有很好的热稳定性，抗张强度则随着分子筛含量的增加呈现先增大后减小的趋势，复合膜由于所加沸石分子筛不具透光性而对透光率有降低的作用。
　　再次，通过采用本实验室自制的有效面积为13.85cm2的膜组件，用PVA/沸石分子筛复合膜作为分离膜，分别对乙醇/水溶液、异丙醇/水溶液及正丙醇/水溶液进行渗透汽化分离，研究PVA/沸石分子筛复合膜的汽化分离性能，主要考察了料液浓度、料液温度和分子筛含量三个方面对复合膜分离性能的影响。实验结果表明，PVA/沸石分子筛复合膜对水具有优先选择透过性，随着料液乙醇浓度的增加，复合膜的通量减小，分离因子增加;料液温度越高，通量越大，分离因子越低;随着分子筛含量的增加，通量逐渐增大，分离因子则出现峰值，即先增大后减小。由以上结果可以看出，通量和分离因子之间基本是呈现相反的关系，即高通量和高分离因子不可以同时兼得。
　　最后，通过响应面分析方法针对异丙醇-水体系，对料液浓度、料液温度和分子筛含量三方面进行条件优化，以获得通量与分离因子共赢的效果。PVA/ZSM-5复合膜的分离实验表明，当料液温度为50℃、料液异丙醇质量分数为85％、分子筛含量为25％时，渗透通量和分离因子可达到较理想效果;同样地，当料液温度为50。℃、料液异丙醇质量分数为89.8％、分子筛含量为24.6％时，PVA/Hβ复合膜的渗透通量和分离因子能达到较为满意的结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 醇类的应用与研究进展

1．2．1 渗透汽化技术概述

1．2．2 渗透汽化传质机理

1．2．3 渗透汽化过程的分离性能

1．2．4 渗透汽化技术在食品中的应用

1．3．1 PVA膜的介绍

1．3．2 PVA膜的改性研究

1．4．1 选题依据

1．4．2 研究主要内容

第二章 PVA／ZSM-5分子筛复合膜的制备与表征

2．1 实验材料与试剂、仪器和设备

2．2 PVA／ZSM-5复合膜的制备

2．3 性能分析与测试

2．3．1 X射线衍射(XRD)分析

2．3．2 傅立叶红外(FTIR)分析

2．3．3 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．3．4 热重(TGA)分析

2．3．5 溶胀度(DS)

2．4．1 X射线衍射分析

2．4．2 傅立叶红外(FTIR)分析

2．4．3 热重(TGA)分析

2．4．4 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．4．5 溶胀性分析

2．4．6 抗张强度分析

2．4．7 透光率与雾度分析

2．5 结论

第三章 PVA／Hβ分子筛复合膜的制备与性能研究

3．1 实验材料与试剂、仪器和设备

3．3．1 X射线衍射(XRD)分析

3．3．2 傅立叶红外(FTIR)分析

3．3．3 扫描电子显微镜(SEM)分析

3．3．4 热重(TGA)分析

3．3．5 溶胀度(DS)

3．4．1 X射线衍射分析

3．4．2 傅立叶红外(FTIR)分析

3．4．3 热重(TGA)分析

3．4．4 扫描电子显微镜(SEM)分析

3．4．5 溶胀性分析

3．4．6 抗张强度分析

3．4．7 透光率与雾度分析

3．5 结论

第四章 PVA／ZSM-5沸石分子筛复合膜渗透汽化中的应用

4．1．3 实验方法

4．1．4 料液温度对渗透汽化性能的影响

4．1．5 料液浓度对渗透汽化性能的影响

4．1．6 分子筛含量对渗透汽化性能的影响

4．2．1 实验目的

4．2．2 实验材料和仪器

4．2．4 单因素实验

4．2．5 响应面分析

4．3 PVA／ZSM-5沸石分子筛复合膜在分离正丙醇／水溶液中的应用

4．3．1 实验目的

4．3．2 实验材料和仪器

4．3．3 实验方法

4．3．4 料液温度对渗透汽化性能的影响

4．3．5 料液浓度对渗透汽化性能的影响

4．3．6 分子筛含量对渗透汽化性能的影响

4．4 结论

第五章 PVA／Hβ沸石分子筛复合膜渗透汽化中的应用

5．1．1 料液温度对渗透汽化性能的影响

5．1．2 料液浓度对渗透汽化性能的影响

5．1．3 分子筛含量对渗透汽化性能的影响

5．2 PVA／Hβ沸石分子筛复合膜在分离异丙醇／水溶液中的应用

5．2．1 单因素实验

5．2．2 响应面分析

5．3 PVA／Hβ沸石分子筛复合膜在分离正丙醇／水溶液中的应用

5．3．1 料液温度对渗透汽化的影响

5．3．2 料液浓度对渗透汽化的影响

5．3．3 分子筛含量度渗透汽化的影响

5．4 结论

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

发表论文情况说明

致谢