PDMS乙醇分离膜的制备及表征

萌芽杯课题报告一课题名称及小组情况课题名称：PDMS乙醇分离膜的制备及表征小组成员：赵长涛、陈琳、樊蓉蓉、史汉斌二调研流程在生物发酵制备乙醇，乙醇作为绿色燃料等领域，分离出低浓度的乙醇越发具有发展前景。然而，传统的精馏手段不但能耗高，而且对于近沸物、恒沸混合物分离体系束手无策。因而，高渗透通量和高分离性能的渗透汽化膜的制备来分离低浓度的乙醇/水溶液成为了科技发展的必由之路。PDMS乙醇分离膜技术是一种新型的膜分离技术，其分离效率高、低能耗、节能、环保等方面的优势，在化工分离技术中具有很大的发展前景。“纯”的PDMS膜自身成膜性、机械性能和选择性较差，为了使PDMS乙醇分离膜更加满足高渗透性、高选择性及高机械性能的要求，进一步提高膜的分离性能，研究者们采用填充、交联、共聚等方法对PDMS膜进行改性。考虑到对我们目前来讲，交联的方法操作起来比较简单，容易把握，且结合前人的经验结果，本实验我们将苯基三乙氧基硅烷（PTES）作为PDMS的交联剂，此交联剂的选取是通过参考VTES交联PDMS并进行改进，将VTES上的乙烯基用苯基取代，制备了新型的PDMS复合膜，有了苯基的存在，氧原子数量减少，提高膜的疏水性，从而增强膜的透醇性能，但由于苯基的位阻较大，可能会影响到交联程度，复合膜的优劣还有待实验验证。（一）聚二甲基硅氧烷简介聚二甲基硅氧烷（二甲基硅油）其分子结构如图（1）所示。图（1）PDMS分子结构图黏度：5S----230000S安全性：无毒无味，对皮肤和粘膜无刺激性，但对眼睛有刺激性。性能特征：PDMS具有良好的耐热性、抗氧化性、选择性、渗透通量、机械性能和化学稳定性且对有机物有优先透过性。即PDMS在一定的受热影响下仍能保持其优良的物理机械性能，在高温时抵抗氧化性气氛下的化学成分变化的能力，PDMS膜在有机物中的溶胀率大于在水中的溶胀率,表明有机物比水更易在PDMS膜中溶解。（二）前人的研究：目前对优先透醇膜的研究中，通过查阅国内外文献，为了提高PDMS膜的选择性、渗透通量和机械性能，科学家们通过填充、共混、交联、共聚、表面改性法对PDMS膜进行了材料和结构的改性以得到理想的PDMS膜。填充法是将对优先透过组分有强吸附作用的物质填入聚合物中，从而对膜的分离选择性以及渗透通量产生影响。填充型渗透汽化膜一般由基质和填充剂两部分组成，而加入的填充剂应与基质有相同的物理性质，因此用于PDMS膜改性的填充剂主要包括有机吸附剂(环糊精)和无机吸附剂(活性炭、炭黑、碳分子筛、沸石分子筛、硅石或蒙脱石等)。交联反应可使线性大分子或有轻度支化的线性大分子形成三维网状结构，使聚合物的流动性下降，强度、硬度和弹性增大，机械性能、耐热性提高，使用寿命延长。使用不同的交联剂进行交联，也会得到分离性能不同的渗透汽化膜。（三）渗透汽化原理PDMS膜分离低浓度乙醇属于渗透汽化过程，渗透汽化法是利用液体混合物中各组分在致密膜中溶解扩散性能不同而分离的膜过程。渗透汽化具体的分离机理图如下图（2）所示（参照文献）在膜的一侧通入料液，另一侧抽成真空或通惰性气体，这样膜的两侧产生分压差，在此作用下，溶质进入膜，通过扩散通过膜，在透过一侧得到汽化，汽化后的溶质被设置的冷凝器冷凝回收。概括为溶解，扩散，解吸（气化）三个步骤即：（1）从膜上界面溶胀的表面一边对料液的溶解分配。（2）透过物通过膜基体有选择性地扩散。(3)从膜下界面表面组分的蒸发和解吸作用。渗透汽化在实际应用中具体的分离过程如图（3）所示图（2）渗透汽化分离机理图（3）渗透汽化具体分离过程渗透汽化实验装置流程图如图（4）所示。有效膜面积为50．0cm2，料液温度由外循环水浴控制，膜器内通过电动搅拌保持料液浓度的均一，渗透侧抽真空，压力由U形管水银压差计测定，且控制在2．5—4．0KPa之间。渗透物通过液氮冷阱收集，电子天平称量渗透物的质量，渗透液组成用阿贝折光仪进行分析。图（4）渗透汽化实验装置2.表征对制备出的PDMS进行表征，分为物理表征和应用表征。（1）物理表征：查阅文献常见的的物理表征有，SEM扫描电镜观察膜的断面和表面得出膜的结构，溶胀度的测定表征其机械强度及对水和乙醇的溶胀性，热重分析（TGA）测定膜的热稳定性，红外分析测其结构，水接触角测其疏水性等。本次实验我们选择了测定膜的溶胀度，接触角，并通过红外分析，进行物理表征。溶胀度：测定溶胀度探究PDMS膜对水和乙醇的溶胀性，溶胀度与交联温度以及膜的结构（交联剂的用量）有关。制备好的PDMS膜在450C真空干燥箱中干燥48h,以除去膜中残留的溶剂。在室温下将称好干重的膜放入无水乙醇中，一段时间后取出膜，用滤纸小心擦去膜表面的溶液，称重。溶胀度采用下式计算DS=(Mt-Mo)/Mo*100%,式中，Mo为膜溶胀前的质量，Mt为膜经过t时间后溶胀的质量。水接触角：膜表面的水接触角越高，膜的疏水性越好，接触角与交联温度以及膜的结构（交联剂的用量）有关。将膜样品放在400C的真空干燥箱中，约24h后得到干燥的膜样品，室温下在接触角测量仪上测定膜表面的水接触角，调节每次出水量为1Ul,每个样品重复测量几次取平均值。红外光谱（FT-IR）分析：用玻璃棒蘸取少量交联后的铸膜液样品，于溴化钾盐片上涂膜，常温下在真空烘箱内抽出溶剂后用傅里叶变换红外光谱仪表征基团变化。通过分析各峰的振动强弱情况，比较得出各基团的含量变化，从而由膜的结构特征得出膜的交联程度。（2）应用表征：应用表征主要是用来表征膜的分离性能。膜的分离性能用渗透通量和分离因子表示。渗透通量：𝐽=MAt，其中M(kg)是透过液的质量，A(m2)为膜面积，t(h)为操作时间分离因子:其中YA与YB分别是渗透液中乙醇和水的质量分数,XA与XB分别是原料液中乙醇和水的质量分数。本次实验我们通过对制备好的膜测定其渗透通量和分离因子，分析比较后得到一个在以探讨出的分离条件下渗透汽化性能最高的膜（渗透通量和分离因子的综合值PI比较高），即我们的最优膜。