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生物黏合剂用于渗透蒸发复合膜分离乙醇/水的研究

作　者: 陈静
导　师: 姜忠义
学　校: 天津大学
专　业: 化学工艺
关键词: 多巴胺 明胶 复合膜 过渡层 渗透蒸发 乙醇脱水
分类号: TQ223.122
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 74次
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内容摘要


燃料乙醇不仅是一种新的可再生资源,而且是一种重要的化工原料,可用于生产乙烯,支撑“后石油时代”的石化工业。在发酵生产过程中,由于乙醇/水共沸物的形成,乙醇脱水被认为是较难的一个环节。渗透蒸发作为新型的液体混合物分离技术,在有机物脱水分离方面具有突出的技术优势和良好的应用前景,具有能耗低、环境友好、不受气液平衡的限制等优点。本研究采用生物黏合剂用于制备渗透蒸发复合膜,改善复合膜的界面作用力,提高复合膜的结构稳定性及其渗透蒸发性能。采用红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)和差示扫描量热(DSC)等多种方法分析膜的结构形态和物理化学性质,尝试探索膜材料-膜结构-膜分离性能之间的对应关系。首先,本研究延续课题组壳聚糖(CS)/聚醚砜(PES)复合膜的研究,阐述了一种简便的方法改善CS/PES复合膜的相容性——在活性分离层和支撑层之间引入聚多巴胺过渡层。T型剥离实验证明涂覆聚多巴胺过渡层的复合膜活性层剥离的最大力为未涂覆聚多巴胺过渡层复合膜的6倍,改善了复合膜的结构稳定性。通过改变制备过程中多巴胺的浓度、浸泡时间及pH值可调控聚多巴胺层的聚合程度及亲水性,从而改善复合膜界面的润湿性,降低CS层厚度,HRSEM的结果表明复合膜活性分离层厚度在10μm左右。当多巴胺浓度为4 mg ml-1,pH为9.47,浸泡时间为48h时,复合膜分离乙醇浓度为90wt.%的乙醇水混合物时渗透通量可达2.2kg m-2 h-1,分离因子为57。加入过渡层可以加强复合膜的界面粘合,改善复合膜性能,但这种方法增加了制膜过程的复杂性。本研究利用生物黏合剂明胶(gelatin)良好的成膜性和亲水性制备渗透蒸发复合膜。以聚丙烯腈(PAN)为支撑层,戊二醛(GA)交联的明胶为活性层,通过改变制备过程中明胶的浓度、交联度可调控表皮层的厚度及其致密程度。通过扫描电镜观察活性层的厚度为1μm左右,活性分离层和支撑层之间无明显的分界面,结合紧密。利用正电子湮没技术考察了复合膜的自由体积特性,适宜的自由体积特性和活性层的高亲水性使复合膜在渗透蒸发分离乙醇/水过程中具有良好的渗透蒸发性能。当明胶浓度为2mg ml-1,交联度为2.5%时,PAN-gelatin(2%)-GA(2.5%)复合膜分离乙醇浓度为90wt.%的乙醇水混合物时的渗透通量达到1.08kgm-2h-1,分离因子达到298,原料液温度为80oC,原料液流速为60L/h,下游侧压力小于0.1kPa。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
前言  8-9
第一章 文献综述  9-20
  1.1 燃料乙醇的生产现状  9-10
  1.2 渗透蒸发过程的原理及特点  10-11
  1.3 渗透蒸发分离乙醇/水  11-12
  1.4 渗透蒸发透水膜材料  12-17
    1.4.1 渗透蒸发膜材料的选择依据  12-15
    1.4.2 渗透蒸发脱水用高分子膜  15-17
  1.5 渗透蒸发脱水复合膜  17-18
  1.6 论文选题和主要研究内容  18-20
第二章 实验部分  20-30
  2.1 渗透蒸发膜的制备与表征  20-24
    2.1.1 材料与试剂  20-21
    2.1.2 实验设备  21
    2.1.3 渗透蒸发膜的表征  21-24
  2.2 溶胀吸附实验  24-25
    2.2.1 实验装置  24-25
    2.2.2 实验步骤  25
  2.3 渗透蒸发实验  25-30
    2.3.1 渗透蒸发实验试剂与仪器  25-26
    2.3.2 实验装置  26-27
    2.3.3 实验步骤  27-28
    2.3.4 渗透蒸发评价指标  28
    2.3.5 气相色谱仪器操作条件  28-29
    2.3.6 原料液和透过液浓度的测定  29-30
第三章 多巴胺用于改善渗透蒸发复合膜结构稳定性和渗透蒸发性能的研究  30-43
  3.1 前言  30
  3.2 复合膜的制备  30-31
  3.3 复合膜的表征  31-39
    3.3.1 FT-IR  31-32
    3.3.2 XPS  32-34
    3.3.3 接触角  34-35
    3.3.4 台阶仪  35
    3.3.5 AFM  35-36
    3.3.6 SEM  36-37
    3.3.7 T 型剥离强度  37-39
  3.4 复合膜的渗透蒸发性能  39-41
    3.4.1 多巴胺作为活性层用于渗透蒸发乙醇脱水的尝试  39
    3.4.2 多巴胺溶液浓度对复合膜渗透蒸发性能的影响  39-40
    3.4.3 浸泡时间对复合膜渗透蒸发性能的影响  40-41
    3.4.4 多巴胺溶液pH 值对复合膜渗透蒸发性能的影响  41
  3.5 小结  41-43
第四章 明胶用于渗透蒸发复合膜的研究  43-56
  4.1 前言  43-44
  4.2 复合膜的制备  44
  4.3 复合膜的表征  44-49
    4.3.1 FT-IR  44-45
    4.3.2 SEM  45-46
    4.3.3 接触角  46-47
    4.3.4 XRD  47
    4.3.5 DSC  47-48
    4.3.6 正电子湮没  48-49
  4.4 复合膜的溶胀吸附性能  49-50
  4.5 复合膜的渗透蒸发性能  50-55
    4.5.1 支撑层的选择  50-51
    4.5.2 明胶浓度对复合膜渗透蒸发性能的影响  51-52
    4.5.3 明胶交联程度对复合膜渗透蒸发性能的影响  52-53
    4.5.4 操作温度对复合膜渗透蒸发性能的影响  53-55
  4.6 小结  55-56
第五章 结论  56-58
参考文献  58-63
发表论文和参加科研情况说明  63-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 基本有机化学工业 > 脂肪族化合物（无环化合物）的生产 > 脂肪族醇（醇、羟基化合物）及其衍生物 > 脂肪族醇 > 饱和一元醇 > 乙醇（酒精）
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