离子液体凝胶膜的制备及在烃类混合物分离中的应用

摘要

目前石油能源日益紧缺，对烃类混合物有效分离以实现高效利用，对于石油化工领域具有重大意义。相比其他分离技术，膜分离技术由于其独特的优势而体现了极大的发展潜力。近年来，分离烃类混合物体系的膜材料由于受膜结构的限制而使其分离性能得不到提高。本文基于离子液体对烃类混合物优良的萃取性能，以及结合凝胶膜独特的半固体膜结构，采用离子液体作为功能性载体来制备离子液体凝胶膜，将其首次应用于分离芳烃烷烃和烯烃烷烃体系中。
　　本文在芳烃烷烃分离部分，选择甲苯正庚烷作为研究体系，采用溶剂挥发法制备了离子液体-聚合物凝胶膜，并将其应用于渗透汽化(PV)过程来进行分离。本文考察了制膜条件如聚合物浓度，成膜温度，膜厚，离子液体种类和含量等，以及料液浓度，料液温度，料液流速等对分离性能的影响，以及通过考察离子液体阳离子结构和亲疏水离子液体复配的影响，进一步优化了膜的分离性能。P(VDF-HFP)由于具有良好的成膜性以及与离子液体的高相容性而被选择作为制膜的聚合物材料。膜液中聚合物浓度的变化，会很大程度上改变成膜的致密性。离子液体含量增大会导致膜的结晶度降低，也验证了离子液体对膜的增塑作用。此外，离子液体的阳离子吡啶环上烷基侧链的长度增加，会导致凝胶膜的渗透通量增大而分离因子降低。通过将带有吡啶环阳离子的离子液体与[Emim]DCA进行复配后，得到渗透通量达到84.75的同时，分离因子能够达到22.67。
　　本文研究的第二部分是针对烯烃烷烃的分离，选择了环己烯/环己烷作为研究体系，采用物理凝胶法，利用12HSA和合成的络合态离子液体Ag[C6H10]nNTf2之间的凝胶化驱动力，自组装形成Ag+促进传递凝胶膜，并将其应用于蒸汽渗透过程(VP)来进行分离。考察了不同的基膜材料，12HSA比例，络合环己烯比例以及VP过程中料液温度，料液初始浓度等对分离性能的影响。以及对膜在VP过程中的长期稳定性进行了考察。疏水PVDF基膜由于具有与凝胶层更强的亲和力而被选择作为最优的支撑膜材料。12HSA能使离子液体完全凝胶化的最低含量为1.5wt％。合成的离子液体Ag(C6H10)nNTf2中络合环己烯的比例直接影响凝胶膜促进传递分离性能，当n=2时达到最优的分离效果(此时flux=51.58 g/m2h，α=27.21)。相比PV过程，VP过程受操作温度的影响更大，当温度超过65℃后，膜的分离性能急剧下降。此外，该凝胶膜在连续运行30h的VP过程中仍具有良好的稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 前言

1．2 烃类混合物分离技术的研究

1．2．1 萃取精馏

1．2．2 吸附分离技术

1．2．3 加氢饱和

1．2．4 膜分离

1．3 芳烃烷烃分离膜材料的研究现状

1．4 烯烃烷烃分离膜材料的研究现状

1．5 离子液体凝胶膜

1．5．1 离子液体简介

1．5．2 离子液体凝胶膜简介

1．5．3 离子液体凝胶膜的制备

1．5．4 离子液体凝胶膜在分离上的应用

1．6 课题的研究背景、意义及内容

1．6．1 论文的选题依据

1．6．2 论文的研究内容

第二章 离子液体-聚合物凝胶膜的制备以及渗透汽化分离甲苯／正庚烷的研究

2．1 实验部分

2．1．1 实验药品及仪器

2．1．2 实验方法及装置

2．1．3 实验分析条件和数据处理

2．2 制膜条件的优化

2．2．1 聚合物材料的前期探索

2．2．2 聚合物浓度对凝胶膜性能的影响

2．2．3 成膜温度对凝胶膜性能的影响

2．2．4 离子液体种类对凝胶膜性能的影响

2．2．5 离子液体含量对凝胶膜性能的影响

2．2．6 凝胶膜膜厚对分离性能的影响

2．3 P(VDF-HFP)／IL凝胶膜的表征

2．3．2 离子液体含量对凝胶膜形貌和结构的影响(SEM，AFM)

2．3．3 离子液体含量对凝胶膜热性能的影响(TGA)

2．3．4 离子液体含量对凝胶膜结晶度的影响(XRD)

2．4 渗透汽化条件的影响

2．4．1 考察料液浓度的影响

2．4．2 考察料液温度的影响

2．4．3 考察料液流速的影响

2．4．4 考察渗透汽化过程膜的稳定性

2．5 凝胶膜对甲苯正庚烷体系分离性能的优化

2．5．1 离子液体对甲苯正庚烷体系萃取性能比较

2．5．2 考察吡啶类阳离子烷基链长对凝胶膜性能的影响

2．5．3 考察离子液体复配对凝胶膜分离性能的影响以及与Robeson上限的关系

2．6 本章小结

第三章 Ag+促进传递凝胶膜的制备以及蒸汽渗透分离环己烯／环己烷的研究

3．1 实验部分

3．1．1 主要试剂及仪器

3．1．2 实验方法及装置

3．1．3 实验分析条件和数据处理

3．2 [Ag(C6H10)n][Tf2N]的制备和结构表征

3．2．2 [Ag(C6H10)n]的结构表征

3．3 制膜条件的优化

3．3．1 基膜材料的选择

3．3．2 12HSA含量的影响

3．3．3 络合环己烯比例的影响

3．3．4 离子液体种类的对比

3．4 蒸汽渗透条件的影响

3．4．1 料液初始浓度对分离性能的影响

3．4．2 操作温度对分离性能的影响

3．4．3 考察蒸汽渗透过程膜的稳定性

3．5 Ag+促进传递凝胶膜的表征

3．5．1 凝胶膜形貌表征(SEM)

3．5．2 凝胶膜的热稳定性表征(TGA)

3．6 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介