浓乳液聚合法渗透蒸发分离膜制备及其脱醇性能研究
以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体，首次采用浓乳液聚合方法制备了优先脱醇渗透蒸发分离膜。所制备的分离膜由相互挤压、紧密堆砌的乳胶粒子组装而成，乳胶粒子间的界面间隙构成醇水混合物的额外扩散通道。
首先制备了环硅氧烷(D4)的浓乳液，研究了聚合反应条件对浓乳液液滴中D4单体开环聚合的影响，确定了最佳反应条件，并对乳胶粒子形态进行了考察。结果表明，所制备的聚二甲基硅氧烷(PDMS)乳胶粒子的直径在0.1～0.2μm之间。
为了实现对浓乳液乳胶粒子的形态进行调控，在浓乳液体系中同时引入了乙烯基环硅氧烷和苯乙烯类单体，通过二者的自由基共聚使有机硅浓乳液乳胶粒子进行内部交联，提高了乳胶粒子结构形态的稳定性。透射电子显微镜照片表明，随着苯乙烯类单体含量的增加，乳胶粒子形态结构的边缘逐渐清晰，并能够保持浓乳液中乳胶粒子密集堆砌形成的多面体结构。
通过乳胶粒子界面间羟基与正硅酸乙酯间的缩合反应制备了粒子紧密堆积的分离膜。扫描电子显微镜照片证实所制备分离膜材料中紧密堆砌的浓乳液乳胶粒子形态与未交联时的形态相一致。随着苯乙烯类共聚接枝单体添加量的增加，分离膜中乳胶粒子堆砌结构的界面边缘也越清晰，乳胶粒子间的通道尺寸明显增大。同时，分离膜材料的DSC和动态粘弹谱图也证实了随着苯乙烯类共聚单体加入量的增加，所得到的分离膜材料增强效果更加明显。
通过研究浓乳液乳胶粒子紧密堆积而成的分离膜的结构形态，提出了所制备分离膜渗透蒸发优先脱醇的分离机理：选择性并不是单纯由吸附选择性(极性)决定，扩散路径的尺寸效应同样重要。
醇/水渗透蒸发分离实验结果表明，优先脱醇分离效果与乳胶粒子表面的交联程度、乳胶粒子之间界面通道结构中的极性选择作用、引入苯乙烯链段后乳胶粒子表面的亲油性以及乳胶粒子表面与乙醇分子的相互作用有关，通道尺寸的放大不仅有利于通量的提高，而且在得到的较宽分离膜组成范围内，分离选择性也得到提高。伴随着料液中乙醇浓度的增加，分离膜的分离通量随之增加，选择性出现了峰值，在乙醇浓度为33.41％时，对乙醇的分离因子α可达到11.3。
通过研究分离时间对浓乳液聚合法得到的分离膜渗透通量和选择性的影响发现，体积效应的影响只在膜分离初期比较明显，在平衡之后体积选择效应开始弱化，可以做到主要依照极性效应的原则对醇水混合物进行分离，优先脱除乙醇，验证了所提出的脱醇分离机理。
为了进一步验证分离原理，制备了碳黑填充改性膜，通过调整分离通道的尺寸大小和极性状态分布，得到了不同分离膜的醇水分离结果：与未填充改性的分离膜相比，渗透通量由110g·m-2·h-1提高至234g·m-2·h-1，并且选择性几乎不变。同时实验数据表明，表面基团少的炭黑粒子和较小的粒子尺寸均有助于界面亲醇通道的形成，促进优先脱醇，从而也验证了乙醇分子体积效应的存在，即通过适当放大分离通道尺寸可以使渗透蒸发的通量与选择性同时得到提高。
浓乳液聚合法;开环聚合;有机硅膜;渗透蒸发;分离膜;优先脱醇
北京化工大学
博士
高分子化学与物理
励杭泉
2006
中文
TQ316.334;TQ028.8
127
2006-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）