耐溶剂纳滤用于混合溶剂分离的研究

摘要

耐溶剂纳滤(solvent-resistant nanofiltration，SRNF)是把纳滤操作引入到有机相中的过程，是一项发展潜力巨大的新兴分离技术。在石油化工、食品行业、制药行业等方面有着良好的应用前景，有操作简易、节约能源、高效、环保、不需引入新的其他添加剂等优点。目前，耐溶剂纳滤应用多局限于实验室小试或中试阶段，大规模工业化应用比较少。若能找出影响SRNF传质的关键因素，必将拓宽SRNF在各个方面的应用，加快SRNF工业化进程。
　　 本论文将SRNF引入混合溶剂的分离过程中，系统研究了SRNF用于混合溶剂分离的可能性，尝试找出影响溶剂分离的关键因素。首先考察了不同种类的纯溶剂通过商用SRNF膜（MPF-44、MPF-50、StarMem 240、DuraMem 150）的过程，确定了溶剂的极性、粘度、溶解度参数及表面张力这四个参数对其过膜的通量影响最大。根据确定下来的这四个参数，对混合溶剂通过膜的过程进行单因素或多因素考察，设计了9种典型的二元混合溶剂体系。并选取了有代表性的一系列SRNF膜，系统考察这些膜对9种混合溶剂体系的分离效果。其中，DuraMem 150膜对乙醇-正己烷体系有显著分离效果，分离因子在6左右，第一次明确证实了SRNF过程用于混合溶剂分离的理论可行性。对于有明显分离效果的乙醇-正己烷体系，本文从乙醇-正己烷-膜三者之间相互作用力的角度入手，深入分析乙醇优先通过膜的情况，发现溶解扩散机理是解释单个组分优先通过的机理，并用三者之间的溶度参数差来衡量三者之间的作用力，首次从理论方面提出了一个定性的关于溶解度参数的不等式｜δi-δm｜＜＜｜δi-δj｜来解释单个溶剂组分优先通过膜的原因。
　　 针对得出的推论，本文采用SEM、XPS、ATR-FTIR对DuraMem 150膜的微观结构进行了鉴定，证实了该膜是一款典型的致密膜，混合溶剂是通过在膜表面溶解度差异和膜中扩散速度的差异得以分离，印证前面的推论。并根据提出的不等式，进一步选定了2组二元溶剂体系，采用MPF44、DuraMem 150膜对其分离情况进行了考察，均得到了不同程度的分离效果，证实了本文所提不等式的合理性。SRNF过程用于混合溶剂的分离仍处于初步的基础研究阶段，有待进一步深入的研究考察其分离机理，需要借助更多先进的仪器从微观上给出更加有力的解释。

目录

声明

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 耐溶剂纳滤概述

1．2．1 分离性能

1．2．2 操作模式

1．2．3 应用现状及前景

1．3 溶剂分离方法

1．3．1 萃取精馏

1．3．2 膜分离

1．4 SRNF中溶剂过膜机理的研究现状

1．5 本论文选题的意义和研究内容

第二章 实验材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 膜

2．1．2 实验试剂

2．1．3 实验设备

2．2 实验方法

2．2．1 膜的预处理及清洗

2．2．2 通量的计算

2．2．3 分离因子的计算

2．3 样品的分析方法

2．3．1 气相色谱内标定量分析法

2．3．2 样品浓度

第三章 影响耐溶剂纳滤膜纯溶剂通量因素的考察

3．1 影响耐溶剂纳滤膜纯溶剂通量的主要因素

3．2 ．3种耐溶剂纳滤膜的纯溶剂通量结果

3．2．1 MPF-44膜

3．2．2 MPF-50膜

3．2．3 STARMEM 240膜

3．2．4 DuraMem 150膜

3．3 纯溶剂通量与影响因素间的统计学分析

3．3．1 MPF-44膜

3．3．2 MPF-50及STARMEM 240膜

3．3．3 DuraMem 150膜

3．4 本章小结

第四章 9种二元混合溶剂体系分离效果的研究

4．1 二元混合体系的设计

4．2 实验准备

4．2．1 混合溶剂的配制

4．2．2 实验过程

4．2．3 标准曲线的绘制

4．3 9种二元混合溶剂体系的分离实验

4．3．1 丁酮-乙酸乙酯体系

4．3．2 丁酮-四氢呋喃体系

4．3．3 N,N-二甲基甲酰胺(DMF)-乙腈体系

4．3．4 正己烷-四氯化碳体系

4．3．5 甲醇-乙二醇体系

4．3．6 乙二醇-二甲基亚砜(DMSO)体系

4．3．7 甲醇-乙腈体系

4．3．8 甲醇-四氯化碳体系

4．3．9 乙醇-正己烷体系

4．4 结果与讨论

4．5 本章小结

第五章 DuraMem150膜的结构鉴定及推论验证

5．1 稳定性

5．2 SEM观察

5．3 XPS分析

5．4 FTIR-ATR

5．5 二元混合溶剂体系分离条件的验证

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书