聚电解质-表面活性剂复合物渗透汽化透醇膜的制备与分离机制研究

Inspired by our recent discoveries on the polyelectrolyte-surfactant complex (PESC), series of PESCs and their pervaporation membranes (PESCM) will be prepared. The structure of PESCM will be fine-tuned upon the point view of molecular structure, aggregation morphology and complex formation between polyelectrolyte and surfactant. Hydrophobically quaternized poly-4-vinylpyridine, Poly(styrene sulfonate-co-dimethyl silicone) and fluorocarbon surfactants, and their PESCMs will be prepared for separation of ethanol and butanol from aqueous solution. Structures and morphologies of PESCs and PESCMs will be investigated with Positron annihilation (PAL), SEM and AFM, respectively. Effects of feed solution composition and concentrations on the pervaporation performance will be systematically studied. The relationship between the PESCM structure and performance is going to be investigated, the key factors for controlling membrane separation performance is supposed to be obtained, and the separation mechanism will be further illustrated. This project will not only explore a novel type of membrane materials but also provide a new route to design high performance alcohol permselective pervaporation membranes, and is of great values in both science and industry.

基于聚电解质和表面活性剂复合物（Polyelectrolyte-surfactant complex, PESC）可调性和已取得的初步实验事实，从透醇膜结构设计理念出发，通过调控聚电解质与表面活性剂分子链结构、聚集形态和复合方式，获得系列PESC及其渗透汽化膜（PESCM）。遴选常用聚电解质和表面活性剂，设计并合成疏水性季铵化聚4-乙烯基吡啶，聚苯乙烯磺酸钠-聚二甲基硅氧烷嵌段共聚物，氟化表面活性剂，制备系列类PESC及PESCM，用于水中乙醇和丁醇的透过性研究。采用正电子湮灭技术、SEM和AFM等表征PESC和PESCM的结构与形貌，考察温度、进料液种类和浓度等对透醇膜的性能进行研究，关联PESCM结构与性能的关系，获得控制PESCM分离性能的关键因素，阐明分离机制。本项目的研究不仅开辟了一类新的优先透醇膜材料，而且为高性能膜材料的设计提供了一种新的理念，具有重要的科学和实际意义。

开发可再生能源是解决能源短缺问题的发展方向，乙醇是主要的生物质燃料，在生物发酵法制备过程中，降低乙醇浓缩时的能耗十分重要。渗透汽化是新型的高效节能富集乙醇的分离技术，但优先透醇膜种类单一。本研究以获得高性能渗透汽化透醇膜为目标，提出用水溶性聚电解质与表面活性剂复合（polyelectrolyte complex, PESC）制备亲醇性渗透汽化膜的研究思路。通过调控聚电解质与表面活性剂分子链结构、溶液pH和原料的浓度，获得系列PESC及其渗透汽化膜（PESCM）。采用红外、元素分析、XRD、DSC、SEM、AFM等手段表征了PESC和PESCM的结构与形貌，并考察温度、进料液浓度等对透醇膜的性能的影响。利用原位变温X射线光反射技术对络合物结构进行分析。研究表明，不同疏水链种类和链长的表面活性剂与聚电解质形成络合物的结晶度差异较大，而PESCM的渗透通量和透过液乙醇含量均随络合物的结晶度上升而降低；通过优选烷基链种类和升高操作温度降低了膜的结晶度，提高了PESCM的性能。通过降低络合时的pH，获得了络合度高的聚电解质与阳离子表面活性剂络合物，提高了PESCM的选择性。如高渗透性PAANa-CTAB络合物膜，在30℃下，分离5 wt%乙醇/水，通量为4.23 kgm-2h-1，分离因子为5.38。在此基础上，采用含氟交联剂构建了疏水的聚二甲基硅氧烷的高选择性透醇膜，该膜在50℃下，对1 wt%丁醇/水体系，通量为0.84 kgm-2h-1，分离因子为51.7。本项目研究获得了两类优先透醇膜，深入研究了膜结构的调控因素、结构表征方法和分离机理，为设计不同有机物优先透过的高性能膜提供了指导，具有重要的科学意义。