PPVA／PAN渗透汽化复合膜分离特性研究

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聚乙烯醇_纳米纤维素复合膜的渗透汽化性能及结构表征_白露

Vol．32高等学校化学学报No．4 2011年4月CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES984 989聚乙烯醇/纳米纤维素复合膜的渗透汽化性能及结构表征白露1，张力平1，曲萍1，高源1，秦竹2，孙素琴2（1．北京林业大学材料科学与技术学院，北京100083；2．清华大学化学系，北京100084）摘要将聚乙烯醇/纳米纤维素（PVA/NCC）复合膜应用于乙醇-水混合溶液的渗透汽化脱水过程，探讨了纳米纤维素对膜的溶胀性能、机械性能和渗透汽化性能的影响；利用原子力显微镜（AFM）探测了纳米纤维素的形貌特征；采用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、扫描电镜（SEM）、差示扫描量热仪（DSC）和热重分析仪（TGA）对膜结构和热性能进行了表征．研究结果表明，棒状的纳米纤维素与PVA基体间形成了强烈的氢键作用且均匀分散在PVA基质中；纳米纤维素的加入提高了膜的熔融温度，增加了膜的热稳定性，有效地抑制了膜的溶胀，并提高了膜的机械性能；在PVA中添加纳米纤维素可以提高膜的渗透汽化分离性能，用纳米纤维素含量为2%的复合膜在80ħ时分离体积分数为90%的乙醇水溶液，膜的分离因子达到347，比未加入纳米纤维素时提高24%；而渗透通量为288g/（m2·h），比未加入纳米纤维素时下降11%．关键词聚乙烯醇；渗透汽化；纳米纤维素；复合膜中图分类号O631文献标识码A文章编号0251-0790（2011）04-0984-06渗透汽化是一种新型的膜分离技术，是在液体混合物中组分蒸汽压差的推动下利用组分通过膜的溶解与扩散速度的不同，实现组分分离的过程．与传统的分离技术相比，渗透汽化具有能耗低和操作简单等优点．渗透汽化的研究和应用主要是从有机溶剂中脱水，其中水/醇体系一直都是研究的重点［1］．聚乙烯醇（PVA）具有良好的亲水性、成膜性及耐有机溶剂等特性，是目前公认的用于有机溶剂脱水的渗透汽化膜材料．然而该体系存在大量的羟基导致PVA膜在渗透汽化过程中严重溶胀而使其性能变差，目前许多学者通过交联、共混和接枝等方法改善膜的溶胀性［2 5］．近年来，有机/无机纳米颗粒与高分子聚合物基体组成的纳米复合膜广泛应用于超滤、渗透汽化、燃料电池和阻隔材料等领域［6，7］．结果表明，纳米组分在增加纳米复合膜的化学、机械和热稳定性等方面具有重要作用，同时还可以调整复合膜的微观结构及膜的亲水/憎水平衡［8 11］，目前已有大量的纳米粒子被引入到高聚物基体中制备纳米复合材料的报道．董永全等［12］用原位聚合法制备了聚丙烯酰胺/蒙脱土纳米复合物-聚乙烯醇共混膜，结果表明，纳米蒙脱土的加入对膜有抑制溶胀和提高分离因子的作用．纳米纤维素（NCC）由于具有天然、环保、可再生、高强度等优点而被广泛用作复合材料的增强相［13 15］．Shweta 等［16］制备的聚乙烯醇/纳米纤维素复合膜用于包装阻隔材料也取得了一定的效果，结果表明，一定含量的纳米纤维素对膜有抑制溶胀的作用．但目前将聚乙烯醇/纳米纤维素复合膜用于渗透汽化分离却鲜见报道．本文将制备的聚乙烯醇/纳米纤维素复合膜应用于渗透汽化分离，考察了纳米纤维素对膜结构的影响及纳米纤维素含量对膜的溶胀性能、机械性能和渗透汽化性能的影响．1实验部分1．1试剂与仪器聚乙烯醇（PVA124），日本可乐丽公司；戊二醛（质量分数50%），天津市博迪化工有限公司，分析纯；无水乙醇、浓硫酸（质量分数95%），北京化工厂，分析纯；纳米纤维素（自制）．收稿日期：2010-05-04．基金项目：国家林业局“948”引进项目（批准号：2008-4-075）和国家“九七三”计划项目（批准号：2010CB732204）资助．联系人简介：张力平，女，博士，教授，博士生导师，主要从事功能高分子材料的研究．E-mail：zhanglp418@163．comGC9905型气相色谱仪，北京佳分分析仪器技术有限公司；DCP-KZ300型电脑测控抗张试验机，四川长江造纸仪器有限责任公司；Tensor27型傅里叶变换红外光谱仪，德国布鲁克公司；Hitachi TAG /DSC-60热分析仪；APHB-0100型原子力显微镜，Park Scientific Instruments ；Hitachi S-3000n 型扫描电子显微镜（SEM ）．1．2聚乙烯醇/纳米纤维素复合膜的制备在加热和搅拌下配制质量分数为7%的PVA 水溶液备用．取部分PVA 水溶液用一定量的戊二醛交联后制得PVA 交联膜液．分别将PVA 水溶液及PVA 交联膜液与纳米纤维素的水悬浮液按不同比例混合，搅拌均匀，超声分散，静置脱泡，在洁净的玻璃板上刮制成膜，自然风干24h 后剥离即可得到不同含量纳米纤维素的聚乙烯醇/纳米纤维素复合膜．制膜过程中控制膜的厚度为20 25μm．1．3膜结构分析分别测定纳米纤维素、PVA 交联膜和纳米纤维素复合膜的红外光谱．将纳米纤维素的水悬浮液干燥后用AFM 观察纳米纤维素的形貌．用SEM 观察膜的断面形貌及膜材料中纳米纤维素的分散情况．将PVA 交联膜液与纳米纤维素共混制得的复合膜干燥后，用热分析仪进行差示扫描量热分析和热重分析．差示扫描量热分析样品量为3 5mg ，升温速度为10ħ/min ，N 2气气氛，流量为50mL /min ，测试温度为30 300ħ．热重分析样品量约为6mg ，升温速度为10ħ/min ，N 2气气氛，流量为50mL /min ，测试温度为30 500ħ，参比为Al 2O 3．1．4膜的溶胀性能测试将质量为m 的均质膜于室温下放入乙醇-水（体积比为9ʒ1）混合溶液中，24h 后取出，迅速用滤纸擦干表面，称重m 1．计算溶质（溶剂）在单位膜中的溶胀量：D =（m 1－m ）/m ．1．5膜的渗透汽化性能测试将PVA 交联膜液与纳米纤维素共混制得的复合膜放入膜分离评价装置中，有效膜面积为0.00491m 2，膜下游抽真空，真空度维持在400Pa 左右，透过物用液氮冷凝．用气相色谱测定进料液和透过液组成，并计算渗透通量和分离因子［17］．1．6膜的机械性能测试将制备的复合膜置于80ħ烘箱中干燥，除水，剪成100mm ˑ15mm 的规格试样，在DCP-KZ300电脑测控抗张试验机上进行测试，测试速率为20mm /min ，夹距为50mm．2结果与讨论2．1复合膜的红外光谱分析Fig．1FTIR spectra of the plain cellulose ，crosslinked PVA and crosslinked PVA /NCC nanocomposite membranes a ．NCC ；b ．PVA ；c ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=1%；d ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=2%；e ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=3%．图1为纳米纤维素、交联PVA 及纳米复合膜的红外光谱图．在纳米纤维素的红外吸收谱线（a ）中，3348cm －1处的吸收峰为纤维素中的O —H 伸缩振动吸收峰；2903cm －1处的吸收峰为C —H 伸缩振动吸收峰，该峰强度较小，表明纳米纤维素分子链较小；1124cm －1处的吸收峰为连接葡萄糖单元C —O —C 的伸缩振动吸收峰；1058cm －1处的吸收峰为纤维素醇羟基中C —O 的伸缩振动峰．在PVA的红外吸收曲线（b ）中，位于3328cm －1处一个宽的吸收峰为PVA 分子链上羟基的伸缩振动吸收峰；2941cm －1处的吸收峰为C —H 伸缩振动吸收峰；1706cm －1处的吸收峰为C O 的伸缩振动吸收峰，它的出现可能与PVA 的生产制备过程有关，聚醋酸乙烯酯经醇解生成PVA 过程中由于醇解度不完全，故在PVA 中残留有羰基；1093cm －1处的吸收峰为C —O 键伸缩振动吸收峰．589No．4白露等：聚乙烯醇/纳米纤维素复合膜的渗透汽化性能及结构表征比较纳米纤维素、交联PVA 和纳米复合膜的红外曲线可以看出，纳米复合膜曲线是纳米纤维素和交联PVA 红外曲线的简单叠加，没有新峰出现，说明各组分间没有发生化学反应，表明形成了复合体系．另外纳米复合膜中随着纳米纤维素含量的增加，羟基伸缩振动吸收峰较交联PVA 变宽且向低波数方向偏移．PVA 羟基的特征吸收峰为PVA 分子中的游离羟基、分子内缔合羟基和分子间缔合羟基共同振动叠加形成的一个弥散的宽峰．加入纳米纤维素后，纳米纤维素表面的大量羟基及其分子链上的C —O —C 键均可与PVA 中的羟基形成分子间氢键作用，使得PVA 及纳米纤维素分子链上羟基的化学环境趋于复杂化，故复合膜中随着纳米纤维素量的增加，膜的羟基峰变宽且向低波数方向移动．这一现象说明，PVA 分子链和纳米纤维素分子链之间存在强烈的氢键缔合作用［18，19］，可以提高纳米纤维素和PVA 之间的相容性．2．2纳米纤维素含量对膜的溶胀性能的影响纳米纤维素含量对膜溶胀度的影响如图2所示．谱线a 为纯PVA膜液与纳米纤维素共混制得的复Fig．2Swelling degree of PVA /NCC nanocompo-site membranes in aqueous solution of etha-nol （90%）at 80ħa ．Pure PVA /NCC nanocomposite membrane ；b ．crosslinked PVA /NCC nanocomposite membrane．合膜的溶胀曲线；谱线b 为戊二醛交联膜液与纳米纤维素共混制得的复合膜的溶胀曲线．可以看出，两种复合膜的溶胀度均随纳米纤维素含量的增加而降低，最后趋于平衡．这主要是由于纳米纤维素表面的大量羟基与PVA 分子链上羟基形成氢键，使得纳米纤维素与PVA 界面之间产生强烈的黏合作用，而纳米纤维素晶须的刚性大于PVA 分子链的刚性，从而抑制了膜的全面溶胀．比较图2中谱线a 和谱线b 可以看出，当纳米纤维素含量较低时，谱线a 中膜的溶胀度高于谱线b ，这主要是由于谱线b 中由戊二醛和纳米纤维素共同抑制膜的溶胀，而谱线a 中只有纳米纤维素抑制膜的溶胀．当纳米纤维素含量较高时，谱线b 中膜的溶胀度不再随纳米纤维素含量的增加而增加，而谱线a 中膜的溶胀度仍有较大的下降趋势，这主要是由于谱线b 中纳米纤维素因发生团聚而抑制膜的溶胀作用，最后膜的溶胀度不再随纳米纤维素含量的增加而降低．谱线a 中未经戊二醛交联的聚乙烯醇膜液黏度相对较小，这有助于纳米纤维素在膜内的分散，在纳米纤维素含量相对较高时纳米纤维素在膜内仍然分散较好，此时膜的溶胀度依然有较大幅度的下降．2．3纳米纤维素及膜的形貌结构分析图3为纳米纤维素的AFM 图片．可以看出，纳米纤维素为棒状，长为200 300nm ，直径为20Fig．3AFM image of dried dispersion of cellulose nanocrystals30nm．图4（A ）和（B ）分别为PVA 交联膜和纳米纤维素含量为2%的纳米复合膜断面的SEM 图．图4（A ）中PVA 交联膜的断面致密无孔；由图4（B ）可以看出，纳米纤维素无团聚现象，在PVA 基体中均匀分散，纳米纤维素与PVA 界面处黏合较好，没有明显的空隙存在．纳米纤维素在用于高聚物改性时存在的问题之一就是其在基质中的分散问题［16］，本文中纳米纤维素能够很好地分散于聚乙烯醇基质中，二者界面之间有良好的黏合作用，说明纳米纤维素与基质间存在的氢键作用有助于纳米纤维素的均匀分散，极性的聚乙烯醇与纳米纤维素之间有良好的界面相容性．2．4纳米纤维素含量对膜的渗透汽化性能的影响由纳米纤维素含量对乙醇-水（体积比9ʒ1）溶液的渗透汽化脱水性能的影响（图5）可以看出，在纳米纤维素含量低于2%时，随着纳米纤维素含量的增加，纳米复合膜的分离因子持续增加，而渗透通689高等学校化学学报Vol．32Fig．4SEM fracture surface images of the crosslinked PVA （A ）and crosslinkedPVA /NCC nanocomposite membrane （B ）量则略有降低；当纳米纤维素含量为2%时，纳米复合膜的分离因子达到最大值347，比未加纳米纤维Fig．5Effect of cellulose nanocrystal content in membrane on the separation factor and per-meation flux for aqueous solution of ethanol （90%）at 80ħ素时提高24%，而此时膜的渗透通量则降低至288g ·m －2·h －1，比未加纳米纤维素时下降11%．这是因为，一方面纳米纤维素的强吸水性使纳米复合膜对溶液中水分子的吸附选择能力提高，这有利于分离因子的提高，由于加入的纳米纤维素为棒状结构（图3），纳米纤维素的加入使小分子扩散通道变得更加曲折，增加了小分子的扩散路径，提高了膜对乙醇分子和水分子的尺寸筛分能力；另一方面，纳米纤维素抑制了膜的过度溶胀，降低了水分子和乙醇分子的共扩散效应，这也有利于复合膜分离性能的提高．纳米纤维素对膜渗透通量的影响是由纳米纤维素特性和复合膜内形态结构的改变共同作用的结果．纳米纤维素对膜在渗透汽化过程中溶胀的抑制作用会导致膜渗透通量的降低，而氢键密度的增加又会影响PVA 分子链结晶过程中的有序排列，增加膜内的自由体积，同时纳米纤维素本身具有的强吸水性，有可能增加膜的渗透通量．从图5可以看出，纳米纤维素含量低于2%时，膜的渗透通量随纳米纤维素含量的增加略有降低，说明纳米纤维素对膜溶胀的抑制作用对膜渗透通量的影响占主导作用．当纳米纤维素含量高于2%时，膜的分离因子降低，渗透通量大幅度提高，这与纳米纤维素在膜内的分散状态密切相关．当纳米纤维素含量过高时纳米纤维素颗粒之间可能出现团聚现象，减弱了纳米纤维素与PVA 基质间的相互作用，并可能形成较大尺寸的孔洞，使得水分子和乙醇分子均能透过，失去了纳米复合膜原有的分子尺寸筛分效应，造成分离因子降低和渗透通量的大幅度提高．2．5热重和差示扫描量热分析图6为不同纳米纤维素含量复合膜的DSC 曲线．已知在55 70ħ范围内的峰为玻璃化转变温度峰，在185 220ħ范围内的峰为PVA 的熔融峰［20］．由图6可以看出，纳米纤维素含量对复合膜的玻璃化转变温度（T g ）没有太大影响．相对PVA 交联膜，加入一定量的纳米纤维素后，膜的熔融峰明显向高温方向移动，当纳米纤维素含量为2%时，膜的熔融温度（T m ）最高，之后随着纳米纤维素量的增加，膜的熔融温度又呈降低趋势．高分子聚合物熔融温度的高低是熔融热和熔融熵共同决定的．纳米纤维素与PVA 分子链之间羟基的氢键作用使膜内氢键密度增加从而使膜的熔融热增加，而纳米纤维素较强的刚性及其与PVA 界面的黏合作用使膜内高分子链活动能力下降，从而使熔融熵降低．图7为PVA 交联膜和纳米纤维素复合膜的热失重曲线．可以看出，PVA 交联膜及纳米复合膜有较好的热稳定性．PVA 交联膜的热分解始于230ħ，加入纳米纤维素后膜的热分解温度提高，热稳定性增加．由于渗透汽化温度一般在100ħ以内，故纳米纤维素的加入对膜渗透汽化过程的热稳定性无影响．789No．4白露等：聚乙烯醇/纳米纤维素复合膜的渗透汽化性能及结构表征Fig．6DSC thermograms of crosslinked PVA andcrosslinked PVA /NCC nanocomposite mem-branesa ．PVA．b ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=1%；c ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=2%；d ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=3%；e ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=4%．Fig．7TGA results of crosslinked PVA and crosslinked PVA /NCC nanocomposite mem-branes a ．PVA ；b ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=1%；c ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=2%；d ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=3%；e ．m （NCC ）ʒm （PVA ）=4%．f ．NCC．2．6膜的机械性能从图8可以看出，随着纳米纤维素复合膜中纳米纤维素含量的增加，复合膜的抗张强度和断裂伸长率先增加后降低，在纳米纤维素含量为2%时达到最大值，而后下降．这主要是由于纳米纤维素表面的大量羟基与PVA 分子链上的羟基形成了氢键作用，且在二者界面之间有强烈的黏合作用，这导致在拉伸过程中发生应力从PVA 到纳米纤维素的转移，而纳米纤维素本身具有较高的强度，使纳米复合膜表现出良好的机械性能．Fig．8Influence of cellulose nanocrystal content in membrane on mechanical properties综上所述，将聚乙烯醇/纳米纤维素复合膜应用于90%乙醇-水混合溶液的渗透汽化脱水过程，结果表明，在聚乙烯醇中加入纳米纤维素可以很好地抑制复合膜的溶胀，大幅度提高膜的分离性能，增加膜的机械强度；随着纳米纤维素含量的增加，纳米复合膜的分离因子先增加后降低，而渗透通量则先略有降低而后增加；纳米纤维素的加入提高了复合膜的熔融温度，增加了膜的热稳定性．参考文献［1］HONG Hou-Sheng （洪厚胜），CHEN Long-Xiang （陈龙祥），YOU Tao （尤涛），ZHANG Qing-Wen （张庆文）．Progress in Chemistry （化学进展）［J ］，2009，21（10）：2229—2234［2］Aminabhavi T．M．，Naidu B．V．K．，Sridhar S．，Rangarajan R．．J．Appl．Polym．Sci．［J ］，2005，95：1143—1153［3］Kurkuri M．D．，Aminabhavi T．M．．J．Appl．Polym．Sci．［J ］，2004，91：4091—4097［4］Kittur A．A．，Kariduraganavar 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；2．Department of Chemistry ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ）Abstract Poly （vinyl alcohol ）（PVA ）/cellulose nanocrystal （NCC ）composite membranes were used in the pervaporation separation of water-ethanol feed mixtures ，and characterized by Fourier transform infrared spec-troscopy （FTIR ），scanning electron microscopy （SEM ），differential scanning calorimetric （DSC ）and thermo-gravimetry （TG ）．Atomic force microscope （AFM ）was used to characterize the cellulose nanocrystal．The characterization results demonstrated that NCC displayed slender rods and dispersed homogeneously within the PVA matrix ，which could be assigned to the hydrogen bonds formed between PVA and NCC．The DSC and TG analysis demonstrated that the nanocomposite membranes exhibited an increase in melting temperature and higher thermal resistance．With the addition of NCC ，the mechanical properties of the nanocomposite mem-branes were improved．Moreover ，the nanocomposite membranes had good pervaporation properties．Among all the prepared membranes ，PVA /NCC nanocomposite membrane containing 2%NCC exhibited the best separa-tion factor ，whose averaged separation factor was 347for aqueous solution of ethanol （90%）at 80ħand 24%higher than that of crosslinked PVA membrane ，but its permeation flux was 288g /（m 2·h ），11%lower than crosslinked PVA membrane．Keywords Poly （vinyl alcohol ）；Pervaporation ；Cellulose nanocrystal ；Composite membrane（Ed．：W ，Z ）989No．4白露等：聚乙烯醇/纳米纤维素复合膜的渗透汽化性能及结构表征。

渗透汽化论文(渗透汽化膜分离技术的进展及应用)

渗透汽化膜分离技术的进展及应用摘要: 综述了渗透汽化膜传递理论研究的现状, 分析了各种模型的特点, 并就渗透汽化膜传递理论的研究方向提出了建议。

叙述了渗透汽化过程的新进展,并着重介绍了它在石化中的四方面应用,即(1) 有机溶剂及混合溶剂的脱水；(2) 废水处理及溶剂回收；(3) 有机混合物的分离；(4) 化学反应过程中溶剂的脱水。

关键词:渗透汽化；传递理论；模型；膜组件；脱水膜前言渗透汽化(Pervaporation, 简称PV ) 是用于液体混合物分离的一种新型膜技术。

自80年代以来, 渗透汽化技术得到了很大的发展, 目前世界范围内有100 多套工业装置。

然而, 渗透汽化膜分离的机理由于涉及到渗透物和膜的结构和性质, 渗透物组分之间、渗透物与膜之间复杂的相互作用, 涉及到化学、化工、材料、非晶态物理、统计学等学科的交叉, 研究工作的难度较大, 认识也不够深入。

也提出了几种描述渗透汽化膜传递机理的模型, 其中主要有溶解扩散膜型和孔流模型[1]。

膜技术作为一种高新技术,近30 多年来获得了极为迅速的发展，已在石油化工、海运、冶金、电子、轻工、纺织、食品、医疗卫生、生化制药、环保、航天等领域内广泛应用，形成了独立的新兴技术产业。

据专家断言:“今后，谁掌握了膜技术,谁就掌握了石油化工技术的未来”。

1 渗透汽化过程传递机理1.1溶解扩散模型溶解扩散模型认为PV 传质过程分为三步: 渗透物小分子在进料侧膜面溶解(吸附) ; 在活度梯度的作用下扩散过膜; 在透过侧膜面解吸(汽化)。

在PV 的典型操作条件下, 第三步速度很快, 对整个传质过程影响不大。

而第一步的溶解过程和第二步的扩散过程不仅取决于高聚物膜的性质和状态, 还和渗透物分子的性质、渗透物分子之间及渗透物分子和高聚物材料之间的相互作用密切相关。

因而溶解扩散模型最终归结到对第一步和第二步, 即渗透物小分子在膜中的溶解过程和扩散过程的描述。

一般研究者都认为PV 过程的溶解过程达到了平衡[2]。

引发交联聚乙烯醇渗透汽化膜的制备及分离性能

引发交联聚乙烯醇渗透汽化膜的制备及分离性能渗透汽化作为一种新型的膜分离技术，在有机溶剂脱水方面具有广泛的应用前景。

聚乙烯醇（PVA）是一种亲水性高分子材料，价格低廉，原料易得且具有优越的水渗透性能，在制备渗透汽化膜方面已被广泛使用。

然而，由于PVA遇水容易发生溶胀，必须对PVA进行改性才能获得理想的分离性能。

交联是一种有效的改性方法，通常利用PVA中的羟基进行交联反应，然而，该交联法将PVA中大量的羟基转化成了酯基或醚基，使得膜亲水性下降，膜对水的选择性和渗透性的提高受到限制。

本文利用PVA链上的活泼氢进行非羟基交联方法的研究，在保留羟基的同时进行交联反应，既克服膜的过度溶胀，又保证了膜的亲水性。

主要研究内容和结论如下：（1）首先，从硝酸铈铵、过硫酸铵、偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰以及紫外光引发剂中筛选出过硫酸铵作为引发剂，其对膜过度溶胀的抑制性能有明显改善，膜溶胀度可以从310%下降到20%；并优选出N’N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，进一步降低膜在水溶液中的平衡溶胀度。

（2）其次，以过硫酸铵（APS）为引发剂，制备了不同引发剂浓度的PVA/APS交联膜。

利用SEM、XRD对膜结构进行了表征，并研究了膜的溶胀性能、热性能及凝胶分数，考察了膜厚、底膜、操作温度及下游侧真空度对膜性能的影响。

研究证实：PVA在过硫酸铵引发下发生了交联反应，随着过硫酸铵含量的增加，膜的交联度增大，热稳定性增强，结晶度下降，膜的平衡溶胀度也逐渐降低。

当过硫酸铵在铸膜液中含量为1.5wt%时，交联膜具有最高的渗透通量，达到319.8g/m2·h，分离因子为3781.8。

在考察各种因素对膜性能影响时发现：随着膜厚度的增加，膜的渗透通量降低，而分离因子变大；PAN底膜进行水解处理，随着水解时间的延长，膜的通量会增加，而分离因子略有下降，最佳的水解时间是1.5h；随着操作温度的升高，膜的渗透通量变大，而分离因子下降；下游侧压力越小，膜的通量越大，而分离因子略有降低。

渗透汽化和汽体渗透膜技术应用及其浮浅思考

渗透汽化和汽体渗透膜技术应用及其浮浅思
考
渗透汽化和汽体渗透膜技术是一种新型的分离技术，它可应用于
各种环保、水处理、化工等领域。

其基本原理是通过半透膜，将两种
含有浓差差异的物质分离开来。

渗透汽化技术主要应用于海水淡化、
废水处理、纯水生产等方面，而汽体渗透膜技术则主要应用于气体分离，如二氧化碳、氢气等的分离。

通过渗透汽化技术，可以将海水中的盐分和杂质去除，从而得到
纯净的淡水。

此外，该技术还可用于集中生产工业废水，减少对环境
的污染。

通过汽体渗透膜技术，可以有效地分离出所需的纯净气体，
广泛应用于石油化工、天然气加工和制氢等领域。

然而，渗透汽化和汽体渗透膜技术仍有其局限性。

技术成本高，
难以普及应用，同时膜材质的选择也需要更多的研究。

此外，技术在
使用中也需要频繁进行维护和更换。

总之，渗透汽化和汽体渗透膜技术是一种非常有前景的分离技术，对环保、能源等领域的发展具有重要的意义。

但此技术仍然存在一些
不足之处，需要不断的研究和改进，以提高技术的稳定性和成本效益。

新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜的研究的开题报告

新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜的研究的开题报告题目：新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜的研究一、研究背景与意义：随着近年来环境保护和节能减排的要求不断升级，各种新型材料的研发也越来越受到关注。

而聚合物复合膜是一种比较有前途的新型材料，具有许多优点，例如轻便、柔韧、耐腐蚀、吸湿性好等特性，广泛应用于膜分离、电化学器件、备受重视的生物医疗领域等众多的领域。

同时，能源短缺和环境污染的不断恶化，让膜分离技术在水处理、气体分离、二氧化碳减排等领域得到广泛应用。

因此，在膜分离领域中，研究一种新型材料-新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜的制备与性能对于解决环境保护和节能减排所面临的问题有着重要的意义。

二、研究内容：1. 综述传统的膜分离技术的优缺点，阐述新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜制备的科学意义。

2. 研究新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜的制备方法与工艺流程。

3. 对新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜的结构、形貌以及物理化学性能进行表征和分析。

4. 研究新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜在膜分离领域的应用，探讨其在水处理、气体分离、传质行为等方面的表现。

三、研究方法：1. 通过文献调研总结出复合膜的主要分类与制备方法。

2. 采用自组装、反相相转移法等方法，制备不同条件下的新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜，并对其进行红外光谱、X射线衍射、扫描电镜等表征和测试，以分析膜的物理化学性质。

3. 通过膜分离装置和传质组件对新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜进行流量、通量、污染物去除效率等方面的性能测试。

四、预期成果：1. 成功制备新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜，并对其结构形貌和表面性能进行详细的分析和研究。

2. 通过实验测试，对新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜在膜分离领域的性能进行评估，测试其实际应用的可行性。

3. 对新型亲水性聚合物-陶瓷渗透汽化复合膜的性能和应用进行总结和评价，为更好地推广和应用提供参考。

渗透汽化膜分离技术及应用简介

这样，渗透物组分在膜两侧的蒸汽分压差或化这样，渗透物组分在膜两侧的蒸汽分压差(或化学位梯度)的作用下透过膜的作用下透过膜，学位梯度的作用下透过膜，并在膜的下游侧汽化被冷凝成液体而除去。，被冷凝成液体而除去。不能透过膜的截留物流出膜分离器。不能透过膜的截留物流出膜分离器。因此，因此，渗透汽化过程是依靠不同组分在特定聚合物膜中溶解扩散能力不同，透过速率不同，合物膜中溶解扩散能力不同，透过速率不同，从而实现不同组分分离的目的。实现不同组分分离的目的。
工业技术经济比较
从国际上已投产的工业装置的运行结果表明，从国际上已投产的工业装置的运行结果表明，与传统的恒沸蒸馏和萃取精馏相比，与传统的恒沸蒸馏和萃取精馏相比，采用渗透汽化技术生产无水乙醇，可使能耗大大降低，技术生产无水乙醇，可使能耗大大降低，仅为蒸馏法的1/2-1/3，整个生产装置总投资为传统分离方法法的，总投资的40%-80%。总投资的。表1是文献中关于渗透汽化法与共沸蒸馏法进是文献中关于渗透汽化法与共沸蒸馏法进行乙醇脱水典型操作费用的比较，行乙醇脱水典型操作费用的比较，从表中可以看出采用渗透汽化法总能耗为共沸蒸馏法的1/3。，采用渗透汽化法总能耗为共沸蒸馏法的。
Hale Waihona Puke 表2 蓝景异丙醇脱水生产中所需的操作费用比较
项目名称 01 蒸汽消耗 02 电耗 03 设备折旧费 04 膜和密封材料更换费
数量 0.12 70度度
金额（金额（元/ 吨） 12 42 60 50 164
备注 0.6MPa蒸汽（100 蒸汽（蒸汽元/吨）吨 0.6元/度元度十年折旧
实例无水乙醇/燃料乙醇的膜生产工艺
简介蓝景无水乙醇无水酒精燃料乙醇燃料酒蓝景无水乙醇(无水酒精燃料乙醇,燃料酒无水酒精,燃料乙醇

渗透汽化膜分离研究的新进展

综　述渗透汽化膜分离研究的新进展夏德万1,2,张　强1,2,施艳荞23,赵　芸1,矫庆泽1,陈观文2(11北京理工大学化工与环境学院,北京　100081;2.中国科学院化学研究所,北京　100080) 摘要:渗透汽化膜分离技术是当前分离膜研究领域的前沿课题之一。

作为化学分离中的重要组成部分,近年来受到高度重视。

本文按渗透汽化膜分离的三大类混合液体系有机液脱水、从水相中分离有机物和有机混合液的分离,综述了近几年渗透汽化膜分离技术研究的新进展。

其中,又重点报道了有机混合液分离的最新研究成果,将其分为:极性Π非极性化合物、芳香烃Π脂肪烃体系、芳香烃Π脂环烃体系、同分异构体、多元体系和汽油脱硫等六部分进行了详细叙述。

文章最后还对渗透汽化膜分离研究进行了展望。

关键词:渗透汽化;膜;分离渗透汽化(Pervaporation,简称PV)是在液体混合物中组分蒸汽压差推动下,利用组分通过膜的溶解与扩散速率的不同来实现分离的过程。

自上世纪八十年代渗透汽化实现产业化以来,在世界范围内,已有320套渗透汽化工业装置在运行,成为膜分离技术的前沿领域之一。

渗透汽化特别适于蒸馏法难以分离或不能分离的近沸或共沸混合液的分离;对有机溶剂中微量水的脱除或废水中少量有机物的分离,以及水溶液中高价值有机组分的回收,具有相变质量小、效率高、能耗低、设备简单、工艺放大效应小等优点。

与蒸馏法相比,PV用于从工业酒精生产无水乙醇节能75%;用于从含水15%的异丙醇生产无水异丙醇节能65%;用于酯化反应生产乙酸乙酯节能58%。

PV分离效果突出,已经显示出可喜的应用前景,被学术界认为是21世纪化工领域最有前途的高新技术之一。

本文基于近几年来报道的最新研究结果,综述了渗透汽化膜分离技术的研究进展。

1　用于有机液脱水的渗透汽化膜长期以来渗透汽化的研究工作基本集中在水Π醇体系的分离,特别是水Π乙醇体系的分离。

原德国G FT公司(现属瑞士Sulzer Chemtech)以聚乙烯醇(PVA)为膜材质,对水优先透过渗透汽化膜首先进行了系列产业化。

渗透汽化膜分离过程的研究和应用

渗透汽化膜分离过程的研究和应用近年来，随着科学技术的不断发展，一种具有重要意义的分离技术渗透汽化膜分离技术逐渐受到研究人员的关注。

它具有低能耗、操作简便、相对于其它分离技术而言成本低廉等诸多优点，因此已经广泛应用于工业和生物领域，用于气体分离、溶质分离、混合物精炼和加工等。

本文主要针对渗透汽化膜分离技术的原理、研究进展和近期应用进行综述，以期为其他研究者提供参考。

一、渗透汽化膜分离技术的原理渗透汽化膜分离技术是一种基于渗透差与膜选择性的分离技术。

它是利用渗透膜的尺度梯度与流体的渗透特性及膜选择性，在流体中形成一个渗透压梯度，并利用该梯度使重要物质通过膜体向两侧流动，实现对混合物的分离。

其原理可总结如下：（1）渗透膜是由一层薄型导体膜材料构成的具有显著渗透特性的半透膜，它的渗透特性与长度尺度有关。

（2）流体从渗透膜的顶部气体穿透渗透到底部液体中，形成一个渗透压梯度，使有效组分往两侧流动，从而实现对混合物的分离。

（3）渗透膜分离技术可以达到渗透精度较高的分离要求，并具有低能耗、操作简便等优点。

二、渗透汽化膜分离技术的研究进展近年来，渗透汽化膜分离技术的研究进展迅猛。

无论是在基础理论研究方面，还是在应用技术研究方面，都取得了令人满意的进展。

（1）在基础理论研究方面，主要包括：（a）研究膜尺度梯度渗透压梯度和动力学特性；（b）研究膜材料吸附和结晶特性；（c）研究膜催化剂和膜反应机制；（d）研究膜的渗透特性，如渗透系数和通透系数；（e）研究膜的选择性，如膜的选择性和抗渗透性；（f）研究操作条件，如温度、压力和流量等。

（2）在应用技术研究方面，主要包括：（a）研究膜分离系统的稳定性，如膜的渗透性能随操作条件的变化；（b）研究复合膜、磁性膜及其他复合膜对混合物的分离性能；（c）开发低压渗透膜及其他新型渗透膜材料；（d）研究膜的清洗、消毒和维护。

三、最新应用目前，渗透汽化膜分离技术已经广泛应用于工业和生物领域，如气体分离、溶质分离、混合物精炼和加工等。

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膜样品分离性瞻
３３０Ｋ３３２Ｋ３３３Ｋ３Ｋ４３
：
Ｍ，Ｐ
１７０３０９００５７０９０６０２０２Ｂ０２．３６３５．４０４２．５８２１．
Ｍ２Ｐ
１９０５２１００Ｚ０９３８０７８８０２Ｚ３０．３３３Ｚ．３４１７．４２２７．
宅茎竖，至墨
（华南理工大学化学工程系，广东广州５０４）１６Ｏ
。
ｊ７
；
摘安：用磷酸对聚乙烯肆连行储化改性，Ｉ１以磷馥酯化聚乙烯肆（Ｐ利．备ＰＶＡ）为活性
分离层的ＰＶＡ／ＡＮ渗逢汽化复合膜并用于乙肆一术混合轴的分离。试验结果表明，ＰＰＰＶＡ／ＡＮ复合膜对水具有较好的分离性能。考察了ＰＰＰＰＶＡ活性分离层的酯化度、离温分
中圈分娄号：Ｑｏ８８Ｔ２．文献标讽码；Ａ文章号｛０ｏ３７（０００＝２７０１ｏ．７０２０）４００．６
目肇
Ｐ／ｐＶＡ＾，Ｐ一，
本文研究利用磷酸对聚乙烯醇进行部分荫化。，。臻茸将具有一荫化度的礴酸瞎化聚乙烯醇（ＰＰＶＡ）作为分离乙醇一水混合物的渗透汽化复合膜的活性分离层，考察了各种因素（复合
（）
０
２．１６７．６４２．３７
７３０．
３３．
２．７３７．０３２．９７
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６２．
２．４７７．１７２．８３
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２结果与讨论
２１活性分离层誊化度对ＰＶＡ／ＡＮ复合膜分离性能的影响．ＰＰ
所制备的ＰＶＡ／ＡＮ复合膜活性分离层的醴化度如表１所示。３３下，ｖＡ／ＡＮ及ＰＰ０＇ＫＰＰ活性层醴化度不同的ＰＡ／ＡＮ复合膜用于乙醇一水恒沸混合物的分离时，分离性能如 Ⅳ Ｐ其
０收稿日期。９９０ — ５１９ —５６广束窖自科学基盘和国家教委基盘赉助珂目然
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水处理技术
第２６卷
第４期
阱中，透通量利用称重法测量。原料及渗透物的组成含量利用气相色谱仪分析，渗利用Ｓ５０－５型扫描电镜（日本日立公司生产）对复合膜活性层的形貌结构及厚度进行观察及测量，ＰＰＶＡ、ＰＶＡ活性分离层厚度为５ｍ（ｐ浸涂５次）并且结构均匀、密。致描述复合膜分离性能及吸附性能参数如下：
膜活性层的荫化度、分离温度、料浓度等）复合膜分离性能的影响。比较了活性分离层的进对并吸附性能与分离性能的关系。
１实验部分
１１ＰＶＡ／ＡＮ、ＶＡ／ＡＮ复台囊的刖鲁．ＰＰＰＰ
将聚乙烯醇（ＶＡ１４日本进Ｅ分装）磷酸，按一定比例与水混合并搅拌，３３下Ｐ一２，１，脲在６＂Ｋ
实验考察了分离温度对复合膜分离性能的影响。由表２可知，３３（４＂的温度范在０１￣３３Ｋ围内，ＰＰＶＡ／ＡＮ复合膜对乙醇一水恒沸混合物具有良好的分离选择性分离温度对复合膜Ｐ的分离性能具有显著影响。随分离温度的升高，渗透物在复合膜两侧的蒸汽压力差增大，即渗透汽化作用的推动力增大，从而导致复合膜的渗透通量增加（ｚ。在较高的温度下，材料表）膜的自由体积增加，并且，渗透物的分子动能更高，透物在膜相中的扩散更容易，渗由于耦合作用的影响，膜相中的乙醇相对浓度提高，因此复合膜的分离选择性随温度的增加而显著降低。渗透通量和分离温度之间的关系符合Ａｒｈｎｕ经验式，：ｒｅｉｓ即Ｐ＝ＡＸｅｐ一＇Ｒ，ｘ（ｄＴ）式／中的为表观渗透活化能，不同的复合膜，值不同。Ｅ４的大小反映了渗透物渗透通对Ｅ４值
液，ｊ液的浓度为５。茸液经脱泡、１膜蕾１膜过滤后均匀地浸涂于作为基质膜的ＰＡＮ（聚丙烯腈）
超滤膜（平板膜，中国辩学院北京环境生态中心提供），于３３下干燥成膜。复合膜活性上并ｏＫ层（ＶＰＶＡ）ＰＡ、Ｐ的厚度可以通过恻膜液的浓度或授涂次数加以调节。所制备的ＰＶＡ／ＡＰＮ、
李雪辉等，ＰＰＶＡ／ＡＮ渗透汽化复合膜分离特性研究Ｐ裹１ＰＡ／ＡＰＶＰＶＰＮ，ＰＡ／ＡＮ复合真的吸附性能
膜样品ＭｏＭ・Ｍ２Ｍ３Ｍ．Ｍ５Ｍ‘
２９０
酯化度（）
Ｉｒ％））（Ｄ（）％Ｄｅ％）（
图１所示。复合膜活性层ＰＶＡ的酯化度对复合膜的分离性能具有显著影响，ＰＶＡ活性Ｐ随Ｐ层醴化度的升高，合膜对乙醇一水混合物的分离选择性升高，复在醴化度为１．时具有最１２大值，进一步提高复合膜的醴化度，其分离选择性反而下降（１。复合膜的渗透通量先是随图）酯化度的升高而降低，醴化度为１．时有最小值，在１２之后，合膜的渗透通量随醴化度的增复大而上升（１。相对于聚乙烯醇（化度为Ｏ）言，Ｐ图）醴而ＰＶＡ／Ａ复合膜对水具有更好的ＰＮ分离选择性及更大的渗透通量。
２．Ｏ５Ｂ．Ｏ０２．００
８．６９
１．４７
２．Ｂ６７．Ｂ３２．１７
７．Ｂ５
１．７３
３．５８７．４０２．６Ｏ
６．１９
吸附条件：乙醇一水恒沸混合物，。Ｋ。３３
２２分离温度对复合腰分离性能的影响．裹２分离沮度对复合族分离性能的影响
活性层中水的浓度增加，乙醇在膜相中的扩散变得更容易。相比之下，由于乙醇的扩散作用加
强。导致活性分离层的吸附选择性下降。因而，当活性层的酯化度大于１．时，１２复合膜对水的分离选择性下降，渗透通量增加。
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ＭｉＰ
２３ｏＯｏ１６０８０１００３０８０５０１８．８３３００．５３０．６４４７７４．
Ｍ－Ｐ
２９４８１２５８２１１３０３０９４０１１．４０９２０６３．２１５Ｂ．３６４５．
二
●
酯化度（％）
图１ＰＶＡ／ＡＮ复合膜活性层醋化度对分离性能的影响ＰＰ
复合膜活性层对乙醇一水恒沸混合物的吸附性能研究试验结果表明（１，ＰＡ／表）同ＶＰＮ复合膜相比较，用磷酸改性的ＰＶＡ活性层能提高复合膜活性层对水的溶擗及吸附Ａ利Ｐ能力。醴化度在一定程度上的提高，附选择性升高，随吸复合膜的溶胀度降低，从而导致复合膜对水的分离选择性升高，透通量下降但是ＰＶＡ在水中有一定的可溶性，一步提高渗Ｐ进ＰＶＡ的醴化度，ＰＰＰＶＡ复合膜的可溶性增大，从而使其活性层的溶胀度显著增大。随复合膜
度、进料难度等因素对复合琏的分离幔能的影响．舛复合琏活性分离层的吸附性能与其分离性
黼 ■：确乙ＩｉＩ度盛混瓜复町，：调馥透＝合Ｉ灭Ｉ美磷蓑：渗气酯・二轴附ｙ化烯茎麓垄吸翎蘩肆化化毛＇ＪＥＥ
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第２６卷第ｔ期术
ＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹＯＦＡＴＥＲＷＴＲＥＡＴＭＥＮＴ
Ｖ０１２．６Ｎｏ．４
Ａｕｇ．，００２０
ＰＶＡ／ＡＮ渗透汽化复合膜分离特性研究ＰＰ
反应，定时间后，一将反应混台物缓慢倒人乙醇中，将析出物分离、碎后，甩乙醇反复洗涤切再
纯化后的产物于３３２Ｋ下烘干至恒重，入干燥器中备用。Ｐ放ＰｖＡ的醇化度的测定参阅文献１］