pvapaaamps聚砜中空纤维复合膜脱湿性能的实验和分子模拟研究

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1、PVA-P(AA-AMPS)/聚砜中空纤维复合膜脱湿性能的实验和分子模拟研究*潘福生，贾会平，姜忠义（天津大学化工学院，天津，300072）摘要：采用聚乙烯醇（PVA）和聚丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸P(AA-AMPS)共混膜为活性分离层，用聚砜中空纤维膜为支撑层，制备中空纤维复合膜，用于丙烯脱湿的蒸汽渗透过程研究。采用实验方法和分子模拟相结合表征了共混膜的结构，结果表明P(AA-AMPS)与聚乙烯醇存在较强的相互作用，使膜结晶度减小，分子链运动性增大，自由体积减小。共混膜的吸附实验和膜的脱湿性能研究表明，P(AA-AMPS)增强了膜的亲水性，提高了膜的脱湿性能。关键

2、词:聚乙烯醇；蒸汽渗透；分子模拟；自由体积[1-3]在工业生产及日常生活中，除湿是一个普遍存在的问题。与传统脱湿技术（物理吸附、化学吸收、低温冷却分离等）相比，膜法脱湿技术具有能耗低、可连续操作、操作灵活方便、无需额外材料和试剂等优点。膜法脱湿过程效率的高低取决于膜性能的好坏，能否制备出高分离性能、高稳定性的脱湿膜是膜法脱湿技术能否广泛应用的关键。聚乙烯醇（PVA）是一种亲水性较强的高分子，具有良好的成膜性能、热稳定性和化学稳定性，被广泛用于渗透蒸发和蒸汽渗透脱水膜的膜材料。但PVA规整的线形结构和分子[4]链间大量的氢键使其具有较高的结晶度，不利于渗透物分子的传质。因此对其

3、进行改性以[5]提高其分离性能。共混能够优化组合现有膜材料的性能，是一种简单有效的方法。本研究选用聚丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸P(AA-AMPS)(分子量5000，AA:AMPS=9:1)与PVA共混改性，一方面可以提高膜的亲水性，另一方面可以扰乱PVA分子链排列，降低结晶度。将共混材料涂覆到聚砜中空纤维多孔支撑层上制成中空纤维复合膜，选用丙烯-水为模型体系，采用实验研究和分子模拟相结合，表征共混材料的结构，评价膜的分离性能。1、膜的制备、表征和分离性能评价o将一定质量PVA加入到去离子水中，在90C水浴中溶解1h至PVA完全溶解，得到PVA均相水溶液，冷却至室温后

4、加入一定量P(AA-AMPS)，搅拌1h，静置脱泡得到铸膜液。然后采用涂覆法在中空纤维基膜上涂覆成膜，制成膜组件。文中PVA-P(AA-AMPS)-X/PS简写为*通讯联系人Email:zhyjiang@tju.edu.cnTel&Fax:022-27892143P(AA-AMPS)-X，其中X为P(AA-AMPS)在共混膜中质量分数。用Philips-XL30型环境扫描电镜表征中空纤维复合膜的截面形态；用日本理学Rigaku◦−1D/max2500v/pc型x射线衍射仪（CuK40kV，200mA，扫描速率2min）和Perkin-ElmerPYRIS◦−1Diamond型

5、差示扫描量热仪（氮气气氛，升温速率10Cmin）分析共混材料的结晶度和玻璃化转变温度（Tg）。通过称重法测量组分在膜内吸附量。膜脱湿性能在自制蒸汽渗透装置中进行，装置采用干燥氮气吹扫的方式，用气相色谱(Agilent6820，TCD)分析吹扫气中渗透组分的组成。用permeance(P/l)i来表征膜的渗透性，(P/l)i=Qi/(ΔPiA)。其中Qi是气体i标准状况下的体积流速；ΔPi是膜两侧组分分压差；A是有效膜面积。通过分离因子表征膜的选择性：α=(P/l)/(P/l)。i/jij2、分子模拟细节和步骤分子动力学模拟过程基于Accelrys公司开发的在材料科学领域广泛应

6、用的模拟软件MaterialStudio。COMPASS力场用来计算原子之间的相互作用，非键截断距离为0.95nm。动力学过程中，压力和温度都通过Berendsen方法进行控制。首先分别构建PVA（200重复单元）和P(AA-AMPS)分子链模型，利用AmorphousCell模块构建不同共混比的共混膜模[6,7]型，然后用退化法对构建的模型进行优化。通过Connolly表面方法计算膜自由体特性。分别用水和丙烯作为测试原子，用半径Rp=1.30Å和2.35Å（碰撞半径）的硬球表示，考察膜内能够容纳水和丙烯的自由体积孔穴的分布及其所占的分数。3、结果与讨论PVA与P(AA-AM

7、PS)之间的相互作用通过ΔE进行表征。ΔE=E−(E+E)，其中E为共混膜体系的能量；E和EBlendP(AA−AMPS)PVABlendP(AA−AMPS)PVA分别为PVA与P(AA-AMPS)单独存在时的能量。在P(AA-AMPS)-29、45、51、59中，PVA与P(AA-AMPS)之间相互作用能依次是-421.74，-756.00，-917.88和-1156.71kJ/mol，而体系中PVA链间相互作用能依次为-1009.62、-946.93、-832.24和-746.983kJ/mol，由