关键词:
聚合物分离膜
膜表界面工程
Janus膜
液体单向传递
离子液体分离与合成
界面加热材料
电热效应
资源回收利用
摘要:
聚合物分离膜在液/液不相容体系分离领域中具有十分广阔的应用前景。利用表界面工程可对传统均相膜进行表/界面改性,获得形态上多样化、性质上多功能化的聚合物分离膜材料。本文利用物理改性手段对均相多孔膜进行表面修饰,获得了具有不同功能涂层的聚合物复合膜材料,并将其应用于高附加值高粘性化学品(如:蓖麻油、离子液体(IL)和原油)从水相中的分离与回收,获得了显著的分离效果。主要内容如下:***膜反应器连续化、同步式合成和分离疏水离子液体:将聚多巴胺/聚乙烯亚胺共沉积体系应用到不对称浸润性Janus中空纤维膜的可控制备中,采用真空辅助溶液循环沉积技术,制备了系列疏IL内表面/亲IL外表面且修饰层深度灵活可调的破乳型中空纤维Janus膜。荷电化/亲水化的Janus中空纤维膜内壁,一方面为阴离子交换反应提供场所,另一方面,荷电内表面会使反应过程中产生的乳化IL液滴破乳,破乳后的疏水IL可以从疏IL内表面单向运输到亲IL的外表面,而水相被阻隔在中空纤维膜内腔,从而实现疏水IL的同步式合成与分离。将该膜材料组装成膜反应器组件,实现了规模化、连续化、同步式合成与分离含有不同长度烷基链的疏水ILs。首先,膜反应器可提高阴离子交换反应转化率,其反应5 min获得的产率高于间歇式反应120 min的产率。其次,通过提高膜丝的填充密度,可提高疏水ILs的产率(高达96%)。利用膜反应器合成的疏水ILs具有较高纯度:含水量在1 wt%以下,与传统萃取蒸馏方法得到的含水率相当;Li+杂质含量极低,为7 nmol·m L-1,Br-含量均<50 mg·kg-1,而传统方法得到产物的Li+杂质含量为2600 nmol·m L-1,Br-含量达960 mg·kg-1。此外,Janus膜反应器在8次循环实验中表现出优异的稳定性,具有长期服役性能。该部分工作为规模化和连续化合成ILs提供膜法解决方案,有望推动ILs作为一种新型绿色溶剂真正应用于工业生产。2.界面加热复合膜用于高附加值高粘化学品的分离与回收:将碳纳米纤维(CNFs)/碳纳米管(CNTs)复合涂层通过真空抽滤沉积在经溶胀后的聚偏氟乙烯(PVDF)/聚丙烯(PP)微滤膜表面。通过调控底膜溶胀时间以及CNFs/CNTs含量比例,制备了具有不同表面孔隙率、浸润性、电热效应的界面加热功能的聚合物复合膜。聚合物底膜的溶胀过程可显著提高涂层与底膜的界面黏附性。复合涂层中,CNFs的棒状纤维结构为高密度的CNTs提供支撑骨架,而CNTs为界面提供更高的电热效应。调控二者比例,可调节两者的协同作用,使复合膜具有可调的界面加热性能,可显著降低高粘化学品的粘度,实现了不同粘度化学品(蓖麻油、IL([C8mim]PF6)和原油)从水体系的分离与回收。在分离蓖麻油包水乳液体系时,复合膜(75/25-CNFs/CNTs@PVDF膜)通量可达到商品化微滤膜的2.0倍,同时油纯度保持在99.5%以上,均高于商品化微滤膜;在分离IL([C8mim]PF6)-水简单混合体系时,复合膜(75/25-CNFs/CNTs@PP膜)通量可达商品化微滤膜的1.5倍,同时IL纯度保持在99.4%以上;对于粘度更高的原油包水乳液体系,商品化微滤膜不具备分离能力,而复合膜能有效分离且具有高通量(50/50和75/25-CNFs/CNTs@PVDF膜通量分别为28.9和49.8 L·m-2·h-1·bar-1)。该部分工作设计制备了具有界面加热功能的聚合物复合膜,能够显著降低高粘化学品粘度,提高乳液破乳效应,加快传质速率,为面向高粘化学品分离与回收的聚合物分离膜的制备提供结构设计与调控思路。