论文部分内容阅读
当前,膜分离技术在化工、环保、能源等领域扮演着重要角色,发展高性能膜始终是其核心和关键所在。有机/无机杂化膜结合了有机、无机组分的优良特性,具有较高的热稳定性、机械强度和特殊的化学性质,有机/无机杂化膜是未来分离膜的重要发展方向之一。如何克服无机粒子在有机聚合物基质中的团聚现象并实现纳米级分散是有机/无机杂化膜制备过程面临的最主要瓶颈之一。本研究在聚砜(PS)基底上制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)杂化膜,提出采用超声原位强化技术改善杂化膜的粒子纳米级分散,进一步提高膜的综合性能。扫描电镜(SEM)结果显示,超声空化作用使无机粒子均匀分散在膜表面,且与PDMS的界面结合紧密。X射线能量色散(EDX)线状扫描元素分析结合SEM图可以得出,杂化膜表面分离层厚度大约为6μm。原子力显微镜(AFM)对膜表面的粗糙情况进行了表征,结果发现超声空化作用有效克服了无机粒子在膜表面发生二次团聚,进而在膜表面形成了细微的粗糙结构。静态接触角和乙醇动态接触角测试结果表明,膜表面的疏水性由于超声强化作用形成的纳微阶层结构而得到了提升,且当SiO2负载量为5wt%时,杂化膜表面的亲醇性达到最强。本研究将超声原位强化自组装杂化膜分别用于渗透汽化和耐有机溶剂纳滤分离过程。在分离性能方面,考察了SiO2粒子添加量、复合层数、超声功率、进料液温(浓)度、多孔粒子等对膜分离性能的影响,并从微观机理层面进行了系统分析。在SiO2添加量为5wt%、复合层数为3次、超声功率为300W条件下所制备的杂化膜,对于5wt%乙醇/水体系在进料温度为60℃时的分离效果为:分离因子12.5,渗透通量807g/m2·h;对于浓度100mg/L甲基蓝/乙醇体系,在操作压力为0.4MPa下的分离效果为:截留率最高可达99.1%,通量91 L/m2·h·MPa。在耐有机溶剂纳滤过程中,由于溶剂对膜有较强的溶胀作用,故在实际运行过程中的稳定性极为重要,本研究针对超声原位强化自组装PDMS/SiO2杂化膜进行了稳定性评价,在连续运行80h过程中,截留率一直能维持在90%以上,通量维持在70L/m2·h·MPa以上,有良好的应用前景。进一步,本文还研究了超声原位强化PDMS杂化ZIF-8、ZSM-5等粒子组装杂化膜过程及膜性能。