聚酰胺復(fù)合膜的微結(jié)構(gòu)及其傳遞行為的實驗研究.pdf

1、膜科學(xué)技術(shù)是一門新興的高科技,也是一門多學(xué)科交叉的科學(xué)技術(shù)。膜分離過程,已成為食品加工、生物制藥、水處理等重要生產(chǎn)中分離與純化的重要過程,并以得到廣泛應(yīng)用。各種膜分離的過程,又以不同結(jié)構(gòu)和性能的膜為主要決定因素。因此,膜材料和成膜條件,如何控制其結(jié)構(gòu),以及膜的傳遞過程等,都是膜科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要內(nèi)容。 近年來,旨在食品加工、生物制藥等領(lǐng)域中進(jìn)行有機(jī)物/水混合物的分離,以反滲透(RO)脫鹽用的芳香族聚酰胺(PA)類復(fù)合膜為支撐膜,

2、采用涂敷法制備聚乙烯醇(PVA)/PA復(fù)合膜以及界面縮聚(IP)法制備多層PA復(fù)合膜的工藝已有較系統(tǒng)的研究。然而,分離層為單層結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜在性能方面會受到復(fù)合工藝和單一材料的-些限制。因此,將兩種不同的成膜方法組合,制備分離層為多層交替結(jié)構(gòu)的具有高性能的復(fù)合膜--多層交替復(fù)合膜(MLCM),是成膜技術(shù)的一個創(chuàng)新。 本文基于PVA膜、PA膜都具有高度水滲透性以及對有機(jī)物都有一定的分離能力的特性,在PA類RO復(fù)合膜上,通過浸涂PVA

3、形成一薄膜層以及IP工藝得到PA高分子層,強(qiáng)化復(fù)合膜的透水性,彌補(bǔ)PA膜的低分離性能,開發(fā)PV分離有機(jī)物/水混合物的具有特殊分離層結(jié)構(gòu)的新型的MLCM。本方法無需特別的制膜設(shè)備和過多的高分子材料,僅需要浸涂和IP兩道工藝,就可以獲得性能優(yōu)良的PA復(fù)合膜,該工藝設(shè)備簡單,操作簡便安全,制備條件易控。通過現(xiàn)代儀器原子力顯微鏡(AFM)和掃描電鏡(SEM)對MLCM表面結(jié)構(gòu)觀測分析,確定通過交替復(fù)合工藝將RO用的商品PA膜改性成為具有均勻致密

4、分離層的MLCM,使MLCM在微結(jié)構(gòu)和優(yōu)先選擇滲透性兩方面都得到了優(yōu)化。 IP工藝制得的PA層是具有三維空間結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀PA聚合物,增加了膜的比表面積,同時具有上緊下松的不對稱的致密結(jié)構(gòu),提高了功能層的有效滲透面積,有利于復(fù)合膜選擇性和通量的提高：浸涂的PvA交聯(lián)層起到了三個作用,首先為IP反應(yīng)提供良好的支撐體,其次為PV分離時優(yōu)先透過PA皮層的滲透物提供良好的輸送通道,再次可將透過頂層PA層的滲透物進(jìn)行又一次的選擇性分離,具有雙

5、重選擇性分離功能。該組合復(fù)合工藝解決了其他復(fù)合工藝存在的復(fù)合膜分離性能取決于單一材料固有性能的問題,有利于復(fù)合膜的優(yōu)先選擇滲透性能的提高；PA/PVA的親水性雙層結(jié)構(gòu),降低了單一分離層的厚度問題,有利于復(fù)合膜的滲透通量增加。 通過對PA/PVA/PA復(fù)合膜制備和傳遞性能實驗的研究表明： (1)采用以下工藝條件制備的MLCM分離性能良好,用于PV分離異丙醇(IPA)/水混合物時,滲透液中水含量(CP-H2O)大于99wt％

6、。浸涂工藝條件:PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2wt％,交聯(lián)劑戊二醛為3wt％,熱處理條件為150℃,1h;IP工藝條件：水相溶液中間苯二胺(m-PDA)為0.2wt％,浸漬時間為20min,有機(jī)相溶液(溶劑為正己烷)中均苯三甲酰氯(TMC)為0.07wt％,浸漬時間為20s,50℃條件下反應(yīng)5min,縮聚2次。 (2)PA/PVA/PA MLCM的滲透通量(J)和分離因子(α)與料液中IPA濃度(CF-IPA)以及操作溫度(T)密切相關(guān)。隨

7、著CF-IPA和T值的提高,CP-H2O始終大于99wt％。通過對實驗數(shù)據(jù)的回歸,建立了可預(yù)測PA/PVA/PA MLCM通量J值的傳質(zhì)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式： 組分水的滲透通量： Jw=0.059(CF-IPA)2-9.3179CF-IPA+434.11 組分IPA的滲透通量： JIPA=0.0007(CF-IPA)2-0.1133(CF-IPA)+4.5859 總通量與T的關(guān)聯(lián)式： J=67171

8、.21exp〔-1940.6/T〕 (3)PA/PVA/PA MLCM可以用多種類型的多孔膜作為支撐膜,其制備工藝具有良好的穩(wěn)定性和廣泛的適用性。 (4)經(jīng)反復(fù)實驗運(yùn)行以及長期貯存后的PA/PVA/PA MLCM仍具有良好穩(wěn)定的PV分離IPA/水混合物的性能。 (5)PA/PVA/PA MLCM適于分離各種濃度的IPA/水混合物。通過與精餾耦合的精餾/PV/精餾集成工藝中的模擬實驗表明,MLCM的滲透通量達(dá)200