復合中空纖維載體上NaA分子篩膜的制備與分離性能研究.pdf

1、NaA分子篩膜在有機溶劑脫水方面具有高效的滲透汽化分離性能，雖然最先由日本實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，但是其工業(yè)擴大受限于載體高成本、低合成重復性等問題而進展緩慢。目前具有高裝填密度、高比表面積等優(yōu)點的中空纖維成為合成NaA分子篩膜的經(jīng)濟有效的熱門載體，有望加快分子篩膜的工業(yè)擴大化;而其中的分子篩/聚合物復合中空纖維制備成本又更低，顯得更加經(jīng)濟，不過其機械強度相對較低。本文致力于相轉(zhuǎn)化法制備共混復合中空纖維，以期望提高復合中空纖維的機械強度;并研究其

2、內(nèi)外表面NaA分子篩膜成膜性能及滲透分離性能。文中探討了共混改性對制備共混復合中空纖維的影響，提出了一種提高共混復合中空纖維載體表面分子篩膜的滲透通量的熱處理方法，并模型化計算了影響膜層滲透分離性能的因素，最后進行三通道載體的制備及其成膜研究。
　　(1)共混改性制備共混復合中空纖維載體及其成膜性能研究
　　考察了相轉(zhuǎn)化法制備共混復合中空纖維過程中共混改性和N2擠出壓力對其結(jié)構(gòu)的影響。通過共混改性，即研究添加的聚合物聚酰亞胺

3、(PI)與聚醚砜(PES)的混合比例，可以制備出海綿孔區(qū)域較多的共混復合中空纖維BCHF-Z0-85（Z0-85:粒徑4μm的NaA分子篩顆粒，含量為85 wt％）。紡絲過程的N2擠出壓力的調(diào)控也能夠制備海綿狀區(qū)域面積更多的共混復合中空纖維（復合中空纖維存在由外到內(nèi)的貧指狀孔，海綿孔，富指狀孔三層區(qū)域）。經(jīng)過共混改性或增大N2擠出壓力，載體的海綿孔區(qū)域增大，相應(yīng)的機械性能得到了提高。隨后考察了不同共混復合中空纖維載體內(nèi)表面的NaA分子篩

4、膜成膜性及其滲透分離性能，其中BCHF-10％PI-Z0-85（10％: PI在聚合物中的含量）載體上合成的NaA分子篩內(nèi)膜的滲透通量達到10 kg m-2 h-1以上，分離因子大于10，000。研究發(fā)現(xiàn)共混聚合物比例PES/PI=9/1，N2擠出壓力在0.07～0.09 MPa能夠制備機械性能、成膜性較好的載體。此外，也研究了分子篩含量及尺寸對制備共混復合中空纖維載體的影響，發(fā)現(xiàn)降低分子篩含量及選擇小尺寸NaA分子篩可以制備機械性能大

5、大提高的共混復合中空纖維BCHF-10％PI-Z1-75（Z1-75:粒徑1.5μm的NaA分子篩顆粒，含量為75 wt％），在該載體內(nèi)表面能夠合成連續(xù)致密的膜層，并表現(xiàn)良好的滲透分離性能。
　　(2)熱處理法對復合中空纖維表面NaA分子篩膜滲透分離性能的影響
　　基于載體是一種聚合物與無機離子混合后紡絲制備的共混復合中空纖維，提出了一種提高載體表面NaA分子篩膜的滲透通量的方法—熱處理法。隨著溫度的提高，熱處理會使得共混復

6、合中空纖維的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導致載體孔隙率減低，而其純水通量大大增加，而且也引起了載體機械性能的改變。使用BCHF-10％PI-Z1-75作為合成分子篩膜的載體，探討了熱處理對膜層滲透分離性能的影響，同時考慮了分子篩膜層處于載體內(nèi)外表面與熱處理步驟的關(guān)系。對于NaA分子篩內(nèi)膜，熱處理步驟應(yīng)該放在動態(tài)水熱合成分子篩膜后，并發(fā)現(xiàn)隨著熱處理溫度的升高，膜層對于乙醇/水混合物的滲透通量也隨之提高，膜的通量由處理前的5.14 kg m-2 h-1可

7、以增加至11.05 kg m-2 h-1。此外，在合適的溫度下繼續(xù)延長熱處理的時間并不利于NaA分子篩內(nèi)膜滲透通量的提高，猜測是聚合物堵塞分離膜層孔道所致。而對于NaA分子篩外膜，則考察了熱處理步驟在分子篩外膜合成前與成膜后對膜層滲透分離性能的影響，發(fā)現(xiàn)熱處理置于成膜前的效果較優(yōu)。比較可知熱處理較適宜的條件是溫度為240℃，時間為6h。
　　(3)模型化考察載體層對NaA分子篩膜滲透通量的影響
　　將模型化計算的方法和膜層滲

8、透汽化的實驗結(jié)果相結(jié)合，研究載體層對膜層滲透汽化過程的影響。載體層結(jié)構(gòu)的改變與膜層的滲透分離性能相關(guān)。當載體層的孔隙率相近時，隨著純水通量的增加，即載體的平均孔直徑增加，NaA分子篩膜的滲透通量會得到提高;而載體的孔隙率降低時，其與載體純水通量增加的結(jié)果相競爭可能使得膜層的滲透通量下降。此外，膜層的滲透分離過程也受其它因素的影響。
　　(4)三通道復合中空纖維的制備及其成膜性能研究
　　基于多通道復合中空纖維可以提高載體的機