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沸石填充壳聚糖渗透蒸发膜乙醇脱水的研究

作　者: 孙洪磊
导　师: 姜忠义
学　校: 天津大学
专　业: 化学工艺
关键词: 渗透蒸发 乙醇脱水 壳聚糖 沸石分子筛 MPTMS 杂化膜 有机-无机界面
分类号: TQ223.122
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 154次
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内容摘要


在生物乙醇发酵液中,由于乙醇/水共沸物的形成,提高了乙醇脱水的技术难度,传统的特殊精馏存在一些固有的技术缺陷,有必要创新乙醇分离/脱水技术。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,其能耗低、环境友好、不受气液平衡限制等优点决定了在乙醇脱水中将有显著技术优势。本研究选用壳聚糖(CS)为有机膜材料,HZSM5沸石为无机材料制备HZSM5沸石填充的壳聚糖膜。并通过硅烷偶联剂3-mercaptopropyltrimethoxysilane(MPTMS)磺化改性HZSM5沸石表面,并制备了MPTMS改性HZSM5沸石填充的壳聚糖膜。采用FTIR、SEM、XRD、DMA、TGA和XPS等方法对膜进行了表征,尝试探索膜材料、膜结构与膜分离性能之间的内在联系。通过研究HZSM5沸石填充壳聚糖膜的结构和分离性能发现,有机-无机相间较弱的氢键相互作用和壳聚糖分子链较强的刚性会使界面会出现纳米级孔穴,导致膜选择性下降。降低沸石Si/Al增强氢键相互作用发现界面形态有所改善,但纳米级孔穴并未完全消除。同时考察了HZSM5沸石含量及渗透蒸发过程操作条件对膜溶胀吸附和渗透蒸发性能的影响。实验结果表明,当Si/Al为25的HZSM5沸石含量为8wt.%时,膜分离乙醇浓度为90wt.%的乙醇水混合物时的渗透通量为117.45g/(m2h),分离因子为177.03,原料液温度为80oC,原料液流速为60L/h,下游侧压力小于0.1kPa。研究了MPTMS改性HZSM5沸石填充壳聚糖膜的结构和分离性能。通过HZSM5表面-SO3H基团的引入,与壳聚糖分子链上的-NH3+基团形成强相互作用,实验发现有机-无机界面间纳米级孔穴基本消除。同时考察了MPTMS改性HZSM5沸石反应时间、沸石含量及渗透蒸发过程操作条件对膜溶胀吸附和渗透蒸发性能的影响。实验结果表明,当Si/Al为25、反应时间为24h的MPTMS改性HZSM5沸石含量为8wt.%时,膜分离乙醇浓度为90wt.%的乙醇水混合物时的渗透通量为278.54g/(m2h),分离因子为274.46,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  4-9
前言  9-11
第一章 文献综述  11-26
  1.1 研究背景  11-15
    1.1.1 渗透蒸发过程的原理及特点  11-12
    1.1.2 乙醇的生产现状  12
    1.1.3 渗透蒸发膜材料的选择依据  12-15
      1.1.3.1 溶解度参数理论  13-14
      1.1.3.2 极性相似和溶剂化原则  14
      1.1.3.3 Flory-Huggins 相互作用参数ψ  14
      1.1.3.4 亲疏水平衡理论  14-15
  1.2 渗透蒸发乙醇脱水  15-23
    1.2.1 高分子膜材料  16-17
    1.2.2 无机膜材料  17-20
    1.2.3 有机－无机杂化膜材料  20-23
      1.2.3.1 有机-无机杂化膜的制备方法  20-21
      1.2.3.2 共混法制备有机-无机杂化膜渗透蒸发乙醇脱水  21-22
      1.2.3.3 溶胶－凝胶法制备有机-无机杂化膜渗透蒸发乙醇脱水  22-23
  1.3 共混法制备有机－无机杂化膜界面形态的改善  23-24
    1.3.1 提高膜分子链的柔性  23
    1.3.2 增强有机－无机相间相互作用  23-24
  1.4 论文选题和主要研究思路  24-26
第二章 实验部分  26-36
  2.1 渗透蒸发膜的制备与表征  26-30
    2.1.1 材料与试剂  26
    2.1.2 实验设备  26-27
    2.1.3 膜的制备方法  27
      2.1.3.1 纯壳聚糖膜的制备  27
      2.1.3.2 壳聚糖－沸石杂化膜的制备  27
    2.1.4 沸石的MPTMS 改性  27-28
    2.1.5 渗透蒸发膜的表征  28-30
      2.1.5.1 红外光谱  28
      2.1.5.2 X-射线衍射  28-29
      2.1.5.3 动态热机械分析  29
      2.1.5.4 扫描电镜  29
      2.1.5.5 热重分析  29
      2.1.5.6 X 射线光电子能谱  29
      2.1.5.7 接触角测定  29-30
  2.2 渗透蒸发实验  30-34
    2.2.1 渗透蒸发实验试剂与仪器  30
    2.2.2 实验装置  30-32
    2.2.3 实验步骤  32
    2.2.4 渗透蒸发评价指标  32-33
    2.2.5 气相色谱仪操作条件  33
    2.2.6 原料液和透过液浓度的测定  33-34
  2.3 溶胀吸附实验  34-36
    2.3.1 实验装置  34
    2.3.2 实验步骤  34-35
    2.3.3 扩散系数的计算  35-36
第三章 HZSM5 沸石填充壳聚糖膜的结构与分离特性  36-47
  3.1 表征结果  36-41
    3.1.1 FTIR  36-37
    3.1.2 XRD  37-38
    3.1.3 DMA  38-39
    3.1.4 SEM  39-40
    3.1.5 TGA  40-41
  3.2 溶胀吸附实验结果  41-43
  3.3 渗透蒸发实验结果  43-47
    3.3.1 沸石含量和Si/Al 对填充膜渗透蒸发性能的影响  43-44
    3.3.2 操作温度对膜渗透蒸发性能的影响  44-46
    3.3.3 原料液浓度对膜渗透蒸发性能的影响  46-47
第四章 改性HZSM5 填充壳聚糖膜的结构与分离特性  47-60
  4.1 表征结果  47-52
    4.1.1 XPS  47
    4.1.2 FTIR  47-49
    4.1.3 XRD  49-50
    4.1.4 DMA  50
    4.1.5 SEM  50-51
    4.1.6 TGA  51-52
  4.2 溶胀吸附实验结果  52-56
  4.3 渗透蒸发实验结果  56-60
    4.3.1 反应时间和沸石含量对膜渗透蒸发性能的影响  56-58
    4.3.2 操作温度对膜渗透蒸发性能的影响  58-59
    4.3.3 原料液浓度对膜渗透蒸发性能的影响  59-60
第五章 结论  60-62
参考文献  62-70
发表论文和参加科研情况说明  70-72
致谢  72

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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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