復(fù)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(jī)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(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用，但是其工業(yè)擴(kuò)大受限于載體高成本、低合成重復(fù)性等問(wèn)題而進(jìn)展緩慢。目前具有高裝填密度、高比表面積等優(yōu)點(diǎn)的中空纖維成為合成NaA分子篩膜的經(jīng)濟(jì)有效的熱門(mén)載體，有望加快分子篩膜的工業(yè)擴(kuò)大化;而其中的分子篩/聚合物復(fù)合中空纖維制備成本又更低，顯得更加經(jīng)濟(jì)，不過(guò)其機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低。本文致力于相轉(zhuǎn)化法制備共混復(fù)合中空纖維，以期望提高復(fù)合中空纖維的機(jī)械強(qiáng)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(duì)制備共混復(fù)合中空纖維的影響，提出了一種提高共混復(fù)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(jì)算了影響膜層滲透分離性能的因素，最后進(jìn)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(fù)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(fù)合中空纖維過(guò)程中共混改性和N2擠出壓力對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)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(fù)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(guò)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(fù)合中空纖維（復(fù)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(guò)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(jī)械性能得到了提高。隨后考察了不同共混復(fù)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(dá)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(jī)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(duì)制備共混復(fù)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(jī)械性能大

5、大提高的共混復(fù)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(duì)復(fù)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(wú)機(jī)離子混合后紡絲制備的共混復(fù)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(huì)使得共混復(fù)

6、合中空纖維的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)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(jī)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(duì)膜層滲透分離性能的影響，同時(shí)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(duì)于NaA分子篩內(nèi)膜，熱處理步驟應(yīng)該放在動(dòng)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(duì)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(zhǎng)熱處理的時(shí)間并不利于NaA分子篩內(nèi)膜滲透通量的提高，猜測(cè)是聚合物堵塞分離膜層孔道所致。而對(duì)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(duì)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(shí)間為6h。
　　(3)模型化考察載體層對(duì)NaA分子篩膜滲透通量的影響
　　將模型化計(jì)算的方法和膜層滲

8、透汽化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，研究載體層對(duì)膜層滲透汽化過(guò)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(dāng)載體層的孔隙率相近時(shí)，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(huì)得到提高;而載體的孔隙率降低時(shí)，其與載體純水通量增加的結(jié)果相競(jìng)爭(zhēng)可能使得膜層的滲透通量下降。此外，膜層的滲透分離過(guò)程也受其它因素的影響。
　　(4)三通道復(fù)合中空纖維的制備及其成膜性能研究
　　基于多通道復(fù)合中空纖維可以提高載體的機(jī)