中空纤维聚离子复合膜组装及其渗透汽化性能

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1、*中空纤维聚离子复合膜组装及其渗透汽化性能1111**2宋雪王乃鑫张国俊纪树兰刘忠洲1．北京工业大学环境与能源工程学院，北京100022；2．中国科学院生态环境研究中心，北京100085摘要：采用中空纤维PAN超滤膜作为基膜，通过动态层-层静电吸附聚电解质PEI/PAA组装中空纤维聚离子复合膜。同时,考察了渗透汽化过程中,复合层数、操作条件以及不同醇/水分离体系对复合膜分离性能的影响。结果表明,醇类物质分子量越高,复合膜渗透汽化性2能越优异，当进料液为50℃的95%异丁醇/水体系时，分离因子达481，渗透通量为769g/mh。关键词：中

2、空纤维膜；渗透汽化；LBL技术渗透汽化作为一项新兴的膜分离技术，以其分离效率高、能耗低等优点，近20年来得[1-2]到了广泛的研究和应用。在渗透汽化研究领域，膜组件的制作是这项技术迈向工业应用的关键环节，与板框式膜组件相比，中空纤维膜组件具有装填密度高、成本低等突出的优势，其在渗透汽化领域的应用潜力巨大，但是其在制作成渗透汽化组件及工业应用过程中尚有一些科学问题亟待解决。本文以中空纤维聚丙烯腈（PAN）超滤膜作为基膜，聚丙烯酸（PAA）[3-4]和聚乙烯亚胺（PEI）为聚离子派对，采用动态层-层静电吸附法（动态LBL）制备聚离子复合膜，

3、初步研究了复合层数、评价条件对中空纤维聚离子复合膜渗透汽化性能的影响，同时考察了中空纤维聚离子复合膜对不同醇/水体系的分离性能。1实验部分膜材料及化学试剂中空纤维聚丙烯腈超滤；聚丙烯酸（PAA，分子量400万，美国ALDRICH试剂公司）；聚乙烯亚胺（PEI，分子量6万，美国ALDRICH试剂公司）；聚乙二醇（PEG，分子量6000、10000、20000，北京试剂公司）；工业乙醇、无水乙醇、异丙醇和异丁醇（北京试剂公司）；NaOH（北京化工厂）。1.2主要仪器TMGC-14气相色谱仪（岛津公司）；Adventurer精密电子天平（奥豪

4、斯国际贸易有限公司）；*基金项目:北京市自然科学基金重点基金项目（07h0003）；北京市教委专款项目（科技成果转化与产业化建设—科技园孵化转化项目05005999200601）；北京市科技新星计划项目（2006B13）；国家重点基础研究发展计划（973计划）（2003CB615700）作者简介：宋雪，（1981-），女，硕士生**通讯联系人，010-67393961，Email：jshl@bjut.edu.cn1SHB-IIIA循环水式多用真空泵（郑州长城科工贸有限公司）；鼓风干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；动态LBL成膜装置，自

5、制；渗透汽化评价装置，自制。1.3中空纤维复合膜的制备方法将一定长度的中空纤维PAN超滤膜浸泡在一定温度的NaOH溶液中，一定时间后,将膜取出，用去离子水漂洗膜内残留的碱液，直至漂洗液pH值为中性。取2根中空纤维膜放入长15cm，内径7mm的有机玻璃管中，两端用环氧树脂封端。将改性后的PAN中空纤维膜组件装于动态成膜装置中。分别将PEI与PAA配置成一定质量浓度的稀溶液。在超滤膜上反复交替动态施加负压过滤PEI、PAA溶液，使之形成具有一定分离作用的复合层，动态LBL成膜装置如图1所示。34521图1动态LBL成膜装置图Fig.1The

6、cellfordynamicalLBLformedmembranes1.料液槽2.蠕动泵3.中空纤维膜组件4.压力表5.循环水式真空泵1.4中空纤维复合膜渗透汽化特性的评价2采用自制渗透汽化装置分离乙醇/水体系，待分离混合组分在中空纤维膜的一侧流过，膜的另一侧抽真空，然后扩散通过膜，在膜的另一侧汽化，蒸汽通过冷阱被冷凝收集后，最终达到分离纯化的目的。膜下游压力100Pa，使用气相色谱分析渗透物的组成,渗透汽化评价指标为：渗透通量J如式(1)，分离因子α如式(2)：J=W/(S·t)(1)YYABα=(2)XXAB式中：W为渗透物的质量；

7、S为膜的有效面积；t为评价时间；YA与YB分别表示在渗透物中水与乙醇两种组分的质量分数；XA与XB分别表示在原料液中水与乙醇两种组分的质量分数。2结果与讨论2.1中空纤维PAN超滤膜改性前后的变化情况NaOH作为水解剂，中空纤维PAN超滤膜水解前后的纯水通量有所降低，从水解前160.122L/mh减小到水解后81.99L/mh；由图2所示，基膜水解前后对分子量分别为6000、10000、20000的PEG截留率均有所提高，其中对PEG的截留率从水解前85.78%增大到水解后92.23%。结果发现改性后的PAN中空纤维膜致密度有所提高，且

8、水解改性后，-CN转型成--COO后，利于后续聚离子复合物层的组装。100908070605040截留率(%)3020100PEG6000PEG10000PEG20000水解前16.8550.5985.78