CN101279212B - 互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,包括以下步骤:1)配备制膜料:将无机添加剂、引发剂、溶剂以及构成互穿网络的组份I和组份II均匀混合后,形成制膜料;2)交联形成互穿网络:在制膜料中加入催化剂,于20~30℃搅拌10~20小时;然后再加入交联剂进行搅拌,于50~70℃下交联反应2~6小时,得铸膜液;3)刮膜及后处理:将铸膜液进行刮膜及后处理,即得互穿网络水脱醇渗透汽化膜。采用本发明方法制备而得的疏水性互穿网络水脱醇渗透汽化膜具有耐溶涨能力强、分离因子高等特点。
Description
技术领域
本发明属于膜分离技术领域,特别涉及一种水脱醇渗透汽化膜的制备方法。
背景技术
因为可再生和无污染的特性,燃料乙醇被认为是可代替石油、煤炭等污染严重且不可再生能源的最有希望的新型能源。
目前,在以农产品发酵方法制备燃料乙醇的工艺中,普遍存在发酵液中乙醇浓度达到一定浓度后使发酵能力降低的问题。采用渗透汽化技术将乙醇从发酵液中分离出来,以维持发酵过程的连续性,是一种切实可行的方式。中国专利(专利号CN1450166A)报道了生物质发酵与渗透汽化制备无水乙醇的方法,其提出了采用生物质发酵与渗透汽化技术的集成来制备无水乙醇的新生产工艺。
渗透汽化是一种利用液体混合物中各组分在致密膜内溶解、扩散性能的不同而使之分离的新型膜过程。与传统的精馏、吸附、萃取等分离工艺相比,它具有分离效率高、设备简单、操作方便、能耗低等优点。对于那些用常规方法分离有困难或费用高的体系,如近沸、恒沸体系,渗透汽化可以发挥它的优势。另外,对于混合体系中某些微量组分的脱除,渗透汽化具有非常高的分离效率。在生物发酵制取燃料乙醇的过程中,当发酵液中乙醇含量达到一定限度(7-10wt%),会严重抑制发酵过程的进行。传统的发酵技术和分离技术导致成本较高(3600元/吨左右),降低成本的生产方式将成为进入市场的关键。采用膜生物反应器替代传统的间歇发酵技术,能够将乙醇及时移出发酵区,不但能实现连续生产,而且还可以提高发酵效率。如果使膜生物反应器连续发酵技术和渗透汽化提纯醇技术相结合,对保障我国能源安全和经济持续繁荣具有重要的战略意义。膜材料是膜分离技术的核心,高性能渗透汽化脱醇膜材料的开发,仍然是使生物发酵制备燃料乙醇实现工业化的关键。
目前,在渗透汽化领域所研究的无机膜和有机聚合物这两大类膜材料中,聚合物膜占据主导地位。无机膜,例如中国专利(专利号CN1271615A)有制造成本较高而且膜面积难以做大的缺点。聚合物膜主要为聚二甲基硅氧烷PDMS膜,也有用聚偏氟乙烯PVDF膜的,如中国专利(专利号CN1239012A)。目前,已经商品化的聚合物膜为沸石填充的PDMS膜。上述聚合物膜的不足在于:膜由于交联度不高而容易发生溶涨,从而使分离因子降低。因此,使用单一聚合物来制备交联膜成膜性差、稳定性不佳,分离因子比较低。
通常,形成互穿网络的方式为,先将组份I和组份II混合,然后交联形成互穿网络;组份I为一种可交联的单体,组份II可以为另一种可交联的单体,也可以为已经形成的交联网络或线形聚合物,组份I与线形聚合物形成的互穿网络称为半互穿网络结构。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,制备出的疏水性互穿网络水脱醇渗透汽化膜具有耐溶涨能力强、分离因子高等特点。
为了解决上述技术问题,本发明提供互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,包括以下步骤:
1)、配备制膜料:
将无机添加剂、引发剂、溶剂以及构成互穿网络的组份I和组份II均匀混合后,形成制膜料;无机添加剂、引发剂、溶剂、组份I和组份II在制膜料中的质量百分含量分别是:1~5%、0.1%~0.5%、60~85%、5~30%和5~30%;
2)、交联形成互穿网络:
在上述制膜料中加入催化剂,于20~30℃搅拌10~20小时;然后再加入交联剂进行搅拌,于50~70℃下交联反应2~6小时,得铸膜液;催化剂的重量是制膜料的0.1~0.5%;交联剂的重量是制膜料的0.1~1%;
3)、刮膜及后处理:
将上述铸膜液进行刮膜及后处理,即得互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
作为本发明的互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法的进一步改进:组份I和组份II均为端基为反应性集团的预聚物、低分子量化合物或经过交联的聚合物,且均是疏水性的。组份I和组份II的端基可以为同类反应性基团,如烯基或羟基等。进一步说:端基为反应性集团的预聚物为端羟基聚硅氧烷或端烯基聚硅氧烷;低分子量化合物为丙烯酸酯、二乙烯基苯、二乙烯基硅氧烷或二醇二丙烯酸酯.;经过交联的聚合物为交联聚二烯或交联聚硅氧烷。更进一步说:端羟基聚硅氧烷为端羟甲基聚二甲基硅氧烷、端羟乙基聚二甲基硅氧烷或端羟甲基聚二苯基硅氧烷;端烯基聚硅氧烷为端丙烯酸乙酯聚二甲基硅氧烷、端丙烯酸乙酯聚二苯基硅氧烷、端乙烯基聚二甲基硅氧烷或端丙烯酸甲酯聚二甲基硅氧烷;丙烯酸酯为甲基丙烯酸甲酯、乙基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸乙酯;二醇二丙烯酸酯为乙二醇二甲基丙烯酸甲酯、乙二醇二甲基丙烯酸乙酯或丙二醇二乙基丙烯酸乙酯等;交联聚二烯为交联聚丁二烯或交联聚异戊二烯;交联聚硅氧烷为交联后的聚二甲基硅氧烷。
作为本发明的互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法的进一步改进:无机添加剂为疏水性无机添加剂,引发剂为偶氮类引发剂、过氧化物引发剂或氧化还原引发剂,催化剂为金属催化剂,交联剂为小分子双烯类化合物或四烷氧基硅烷,溶剂为有机溶剂。进一步说:疏水性无机添加剂为沸石、碳黑或石墨;偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈,过氧化物引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化乙酰异丁酰或过氧化特戊酸叔丁酯,氧化还原引发剂为过硫酸钾/亚硫酸氢纳氧化还原体系或过氧化二苯甲酰/硫酸亚铁氧化还原体系;金属催化剂为金属有机锡催化剂;小分子双烯类化合物为二乙烯基苯、乙二醇二甲基丙烯酸甲酯、乙二醇二甲基丙烯酸乙酯、端丙烯酸乙酯聚二甲基硅氧烷、端丙烯酸乙酯聚二苯基硅氧烷、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、二乙烯基二甲基硅氧烷或二甲基丙烯酸己二醇酯,四烷氧基硅烷为四乙氧基硅烷或四甲氧基硅烷;有机溶剂为甲苯、四氢呋喃、乙酸乙酯、正己烷或氯仿。更进一步说:沸石为silicalite-1型或ZSM-5型沸石,金属有机锡催化剂为二丁基二月硅酸锡、单丁基氧化锡或二丁基氧化锡。
作为本发明的互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法的进一步改进:步骤3)为:将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜;空气中干燥22~26小时后,再于80~120℃处理24~48小时,得到厚度为90~110微米的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
本发明是在大量实验的基础上研制而得。目前,还没有用两种不同端基的组份交联形成互穿网络渗透汽化膜的专利报道。采用本发明方法所制备的互穿网络水脱醇渗透汽化膜,具有分离性能好、成膜性高、结构与性能稳定等优点;适合于从发酵液中优先分离醇类有机物。本发明的方法具有制备过程中膜结构与性能可控性强、制造成本低、可实现清洁化生产(如:形成的废液可以经过简单的低能耗过程来实现原料回收和无害排放。)等特点。
综上所述,本发明的互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,是基于互穿网络原理所形成的,其具有以下优点:
1、本发明方法工艺简单、操作方便、效率高、膜结构的可控性好,生产重复性好。
2、本发明方法中使用的无机添加剂,其与组份的相容性好;在制膜过程和使用过程中流失小,能保证膜的组成、物理结构和性能持久的稳定性。
3、本发明方法中将所得的互穿网络水脱醇渗透汽化膜进行后处理,能使所得的膜交联度更高。
4、采用本发明方法制备的互穿网络水脱醇渗透汽化膜,由于是互穿网络结构,因此膜交联度高,分离因子提高;膜厚100微米,成膜性好,耐溶涨能力强。用其分离醇水体系,醇优先透过,渗透通量可为240~480g/m2h,分离因子10~15。
5、本发明方法使用了低价格的原料;因此所得到的膜具有成本低、性价比高的优点。
具体实施方式
以下实施例中所用的原料均为市售产品,所述的份数均指重量份。
实施例1、互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,依次进行以下步骤:
1)、配备制膜料:
将silicalite-1型疏水沸石1份、偶氮二异丁腈0.1份、正己烷78.9份、端羟甲基聚二甲基硅氧烷(分子量3500)5份,端丙烯酸甲酯聚二甲基硅氧烷(分子量4500)15份在25℃下均匀混合后,形成制膜料。
2)、交联形成互穿网络:
在上述100份的制膜料中加入0.1份二丁基二月桂酸锡,于25℃搅拌10~20小时;然后于60℃下加入0.5份的二乙烯基苯和0.1份的四乙氧基硅烷交联反应2~6小时,得铸膜液。
3)、刮膜及后处理:
将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜处理;空气中干燥24小时后,得到厚度为100微米左右的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
将上述互穿网络水脱醇渗透汽化膜进行热处理:温度为80~120℃,时间为24~48小时。将上述最终所得的互穿网络水脱醇渗透汽化膜应用于分离乙醇水体系,乙醇优先透过,渗透通量为650g/m2h,分离因子10。
实施例2、互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,依次进行以下步骤:
1)、配备制膜料:
将碳黑2份、偶氮二异丁腈0.2份、正己烷77.8份、交联聚丁二烯,10份,端乙烯基聚二苯基硅氧烷(分子量5000)10份在25℃下均匀混合后,形成制膜料。
2)、交联形成互穿网络:
在上述100份的制膜料中加入0.1份单丁基氧化锡,于25℃搅拌10~20小时;然后于60℃下加入0.5份的二乙烯基苯和0.1份的四乙氧基硅烷交联反应2~6小时,得铸膜液。
3)、刮膜及后处理:
将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜处理;空气中干燥24小时后,得到厚度为100微米左右的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
将上述互穿网络水脱醇渗透汽化膜进行热处理:温度为80~120℃,时间为24~48小时。将上述最终所得的互穿网络水脱醇渗透汽化膜应用于分离异丙醇水体系,异丙醇优先透过,渗透通量为290g/m2h,分离因子11。
实施例3、互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,依次进行以下步骤:
1)、配备制膜料:
将ZSM-5型沸石1份、偶氮二异庚腈0.1份、甲苯68.9份、端羟甲基聚二甲基硅氧烷15份,甲基丙烯酸甲酯15份在25℃下均匀混合后,形成制膜料。
2)、交联形成互穿网络:
在上述100份的制膜料中加入0.3份二丁基氧化锡,于25℃搅拌10~20小时;然后于60℃下加入0.3份的二乙烯基二甲基硅氧烷和0.1份的四乙氧基硅烷交联反应2~6小时,得铸膜液。
3)、刮膜及后处理:
将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜处理;空气中干燥24小时后,得到厚度为100微米左右的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
将上述互穿网络水脱醇渗透汽化膜进行热处理:温度为80~120℃,时间为24~48小时。将上述最终所得的互穿网络水脱醇渗透汽化膜应用于分离乙醇水体系,醇优先透过,渗透通量为660g/m2h,分离因子10.6。
实施例4、互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,依次进行以下步骤:
1)、配备制膜料:
将ZSM-5型沸石1份、过氧化苯甲酰0.2份、甲苯78.8份、交联聚丁二烯15份,端丙烯酸乙酯聚二甲基硅氧烷5份在25℃下均匀混合后,形成制膜料。
2)、交联形成互穿网络:
在上述100份的制膜料中于60℃下加入0.5份的二甲基丙烯酸己二醇酯交联反应2~6小时,得铸膜液。
3)、刮膜及后处理:
将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜处理;空气中干燥24小时后,得到厚度为100微米左右的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
将上述互穿网络水脱醇渗透汽化膜进行热处理:温度为80~120℃,时间为24~48小时。将上述最终所得的互穿网络水脱醇渗透汽化膜应用于分离正丁醇水体系,正丁醇优先透过,渗透通量为170g/m2h,分离因子12.8。
实施例5、互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,依次进行以下步骤:
1)、配备制膜料:
将silicalite-1型沸石5份、偶氮二异丁腈0.5份、氯仿69.5份、甲基丙烯酸甲酯20份,端羟基聚二甲基硅氧烷5份在25℃下均匀混合后,形成制膜料。
2)、交联形成互穿网络:
在上述100份的制膜料中加入0.3份二丁基氧化锡于25℃搅拌10~20小时;然后于60℃下加入0.1份的二乙烯基苯交联反应2~6小时,得铸膜液。
3)、刮膜及后处理:
将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜处理;空气中干燥24小时后,得到厚度为100微米左右的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
将上述互穿网络水脱醇渗透汽化膜进行热处理:温度为80~120℃,时间为24~48小时。将上述最终所得的互穿网络水脱醇渗透汽化膜应用于分离乙醇水体系,乙醇优先透过,渗透通量为710g/m2h,分离因子10.2。
实施例6、互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,依次进行以下步骤:
1)、配备制膜料:
将ZSM-5型沸石2份、偶氮二异丁腈0.3份、正己烷60.7份、交联聚异戊二烯7份,端羟基聚二甲基硅氧烷30份在25℃下均匀混合后,形成制膜料。
2)、交联形成互穿网络:
在上述100份的制膜料中加入0.2份单丁基氧化锡,于25℃搅拌10~20小时;加入0.1份的四乙氧基硅烷交联得铸膜液。
3)、刮膜及后处理:
将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜处理;空气中干燥24小时后,得到厚度为100微米左右的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
将上述互穿网络水脱醇渗透汽化膜进行热处理:温度为80~120℃,时间为24~48小时。将上述最终所得的互穿网络水脱醇渗透汽化膜应用于分离异丙醇水体系,异丙醇优先透过,渗透通量为210g/m2h,分离因子12。
实施例7、互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,依次进行以下步骤:
1)、配备制膜料:
将silicalite-1型沸石1份、偶氮二异丁腈0.1份、正己烷63.9份、甲基丙烯酸甲酯30份,交联后的聚二甲基硅氧烷5份在25℃下均匀混合后,形成制膜料。
2)、交联形成互穿网络:
在上述100份的制膜料中于60℃下加入1份的二甲基丙烯酸己二醇酯交联反应2~6小时,得铸膜液。
3)、刮膜及后处理:
将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜处理;空气中干燥24小时后,得到厚度为100微米左右的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
将上述互穿网络水脱醇渗透汽化膜进行热处理:温度为80~120℃,时间为24~48小时。将上述最终所得的互穿网络水脱醇渗透汽化膜应用于分离乙醇水体系,乙醇优先透过,渗透通量为590g/m2h,分离因子12.3。
实施例8、互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,依次进行以下步骤:
1)、配备制膜料:
将silicalite-1型沸石2份、过氧化乙酰异丁酰0.4份、甲苯84.6份、乙基丙烯酸甲酯6.5份,交联后的聚丁二烯6.5份在25℃下均匀混合后,形成制膜料。
2)、交联形成互穿网络:
在上述100份的制膜料中于60℃下加入1份的二甲基丙烯酸己二醇酯交联反应2~6小时,得铸膜液。
3)、刮膜及后处理:
将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜处理;空气中干燥24小时后,得到厚度为100微米左右的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
将上述互穿网络水脱醇渗透汽化膜进行热处理:温度为80~120℃,时间为24~48小时。将上述最终所得的互穿网络水脱醇渗透汽化膜应用于分离正丁醇水体系,正丁醇优先透过,渗透通量为100g/m2h,分离因子10.1。
实施例9、互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,依次进行以下步骤:
1)、配备制膜料:
将石墨2份、过硫酸钾/亚硫酸氢纳氧化还原体系0.4份、四氢呋喃77.6份、乙二醇二甲基丙烯酸甲酯10份,交联后的聚丁二烯10份在25℃下均匀混合后,形成制膜料。
2)、交联形成互穿网络:
在上述100份的制膜料中加入0.1份二丁基氧化锡,于25℃搅拌10~20小时;然后于60℃下加入1份的二甲基丙烯酸己二醇酯交联反应2~6小时,得铸膜液。
3)、刮膜及后处理:
将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜处理;空气中干燥24小时后,得到厚度为100微米左右的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
将上述互穿网络水脱醇渗透汽化膜进行热处理:温度为80~120℃,时间为24~48小时。将上述最终所得的互穿网络水脱醇渗透汽化膜应用于分离正丁醇水体系,正丁醇优先透过,渗透通量为120g/m2h,分离因子10.3。
最后,还需要注意的是,以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然,本发明不限于以上实施例,还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形,均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,其特征是包括以下步骤:
1)、配备制膜料:
将无机添加剂、引发剂、溶剂以及构成互穿网络的组份I和组份II均匀混合后,形成制膜料;所述无机添加剂、引发剂、溶剂、组份I和组份II在制膜料中的质量百分含量分别是:1~5%、0.1%~0.5%、60~85%、5~30%和5~30%;
所述无机添加剂为疏水性无机添加剂;
所述引发剂为偶氮类引发剂、过氧化物引发剂或氧化还原引发剂;
组份I和组份II均为端羟基聚硅氧烷、端烯基聚硅氧烷、丙烯酸酯、二醇二丙烯酸酯、交联聚二烯或交联聚硅氧烷;
2)、交联形成互穿网络:
在上述制膜料中加入催化剂,于20~30℃搅拌10~20小时;然后再加入交联剂进行搅拌,于50~70℃下交联反应2~6小时,得铸膜液;所述催化剂的重量是制膜料的0.1~0.5%;所述交联剂的重量是制膜料的0.1~1%;
3)、刮膜及后处理:
将上述铸膜液进行刮膜及后处理,即得互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
2.根据权利要求1所述的互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,其特征是:所述端羟基聚硅氧烷为端羟甲基聚二甲基硅氧烷、端羟乙基聚二甲基硅氧烷或端羟甲基聚二苯基硅氧烷;所述端烯基聚硅氧烷为端丙烯酸乙酯聚二甲基硅氧烷、端丙烯酸乙酯聚二苯基硅氧烷、端乙烯基聚二甲基硅氧烷或端丙烯酸甲酯聚二甲基硅氧烷;所述丙烯酸酯为甲基丙烯酸甲酯、乙基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸乙酯;所述二醇二丙烯酸酯为乙二醇二甲基丙烯酸甲酯、乙二醇二甲基丙烯酸乙酯或丙二醇二乙基丙烯酸乙酯;所述交联聚二烯为交联聚丁二烯或交联聚异戊二烯;所述交联聚硅氧烷为交联后的聚二甲基硅氧烷;
所述疏水性无机添加剂为沸石、碳黑或石墨;
所述偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈,过氧化物引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化乙酰异丁酰或过氧化特戊酸叔丁酯,氧化还原引发剂为过硫酸钾/亚硫酸氢钠氧化还原体系或过氧化二苯甲酰/硫酸亚铁氧化还原体系。
3.根据权利要求2所述的互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,其特征是:所述催化剂为金属催化剂,交联剂为小分子双烯化合物或四烷氧基硅烷。
4.根据权利要求3所述的互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,其特征是:
所述金属催化剂为金属有机锡催化剂;
所述小分子双烯化合物为二乙烯基苯、乙二醇二甲基丙烯酸甲酯、乙二醇二甲基丙烯酸乙酯、端丙烯酸乙酯聚二甲基硅氧烷、端丙烯酸乙酯聚二苯基硅氧烷、端乙烯基聚二甲基硅氧烷、二乙烯基二甲基硅氧烷或二甲基丙烯酸已二醇酯,四烷氧基硅烷为四乙氧基硅烷或四甲氧基硅烷。
5.根据权利要求4所述的互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,其特征是:所述沸石为silicalite-1型或ZSM-5型沸石,金属有机锡催化剂为二丁基二月硅酸锡、单丁基氧化锡或二丁基氧化锡。
6.根据权利要求5所述的互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,其特征是:溶剂为有机溶剂。
7.根据权利要求6所述的互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,其特征是:所述有机溶剂为甲苯、四氢呋喃、乙酸乙酯、正己烷或氯仿。
8.根据权利要求1~7中任意一种互穿网络水脱醇渗透汽化膜的制备方法,其特征是:所述步骤3)为:将铸膜液倒在平板上,用刮膜刀进行刮膜;空气中干燥22~26小时后,再于80~120℃处理24~48小时,得到厚度为90~110微米的互穿网络水脱醇渗透汽化膜。
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