超临界流体诱导相转化有机高分子膜制备工艺基础研究

基于超临界流体诱导相转化制备有机高分子分离膜，工艺先进，优势突出，应用前景十分广阔。本项目针对制备工艺中的两个关键科学问题- - -相平衡热力学和扩散动力学进行研究，从而揭示成膜机理，掌握过程参数对成膜结构的影响规律，形成基于超临界流体诱导相转化制备有机高分子分离膜的最佳工艺、以及预测和控制成膜结构的实用方法，为该制备技术及其工业化应用奠定基础。主要研究内容包括：建立超临界流体/液体/固体三元相平衡模型并进行数值求解，对成膜过程相行为进行定量描述；针对超临界流体诱导相转化成膜过程，建立双向扩散传质模型并进行数值求解，对成膜过程传质行为进行定量描述；通过成膜实验，结合动力学计算，寻求动力学计算结果与成膜结构间的关系，形成依据动力学计算预测成膜结构的方法；研究基于超临界流体诱导相转化制备的有机高分子分离膜的透水速率、截留分子量和截留率等，对其分离性能做出评价。该研究具有较大的学术意义和实用价值。

研究了ScCO2/溶剂/聚合物三元体系热力学问题，并计算得出了相应铸膜体系的三元相图，对ScCO2诱导相转化膜制备过程的分相成膜行为进行了分析与描述。通过考察相互作用参数对三元体系相图的影响，发现随着溶剂/聚合物之间相互作用参数x23或者非溶剂/聚合物之间相互作用参数x13的增加，均相区减小。在x23、x13一定的条件下，x12=1是双节线位置变化趋势转变的分界点。当x12在小于1的范围内变化时，随着x12的增大，均相区增大；然而当x12的数值跨越了该分界点在大于1的范围内变化时，随着x12的增大，双节线位置的改变将受到x13、x23具体数值的影响，从而不再沿单一方向迁移。通过理论计算，获得了ScCO2/丙酮/CA、ScCO2/甲苯/PSt及ScCO2/溶剂/PVB铸膜体系的三元相图。相图研究结果表明：温度升高或压力减小均可导致ScCO2/甲苯/PSt与ScCO2/溶剂/PVB两种铸膜体系的双节线向聚合物/溶剂轴一侧靠近，均相区减小；ScCO2/溶剂/PVB体系的膜表面结构形成主要受平衡热力学过程的控制，而膜的截面结构是其平衡热力学与扩散动力学共同作用的结果。针对聚苯乙烯（PSt）、醋酸纤维素（CA）及新型膜材料聚乙烯醇缩丁醛（PVB）进行ScCO2诱导相转化制膜工艺的实验研究，给出了操作参数对膜形态结构的影响规律。 建立了ScCO2诱导相转化膜制备工艺过程的实验装置以及相应的实验技术，分别针对传统膜材料PSt与CA及新型膜材料PVB进行了ScCO2诱导相转化膜制备工艺的实验研究。研究结果表明：与传统方法相比，采用ScCO2诱导相转化法可获得更高的膜孔隙率；通过改变操作参数可对传统膜材料对膜的结构进行调控，且操作参数对膜结构的影响与铸膜体系的自身性质也紧密相关；在适宜的操作条件下，ScCO2诱导相转化法能有效避免采用传统的浸入沉淀相转化法制膜时易出现的大空腔结构；泄压过程中CO2气核从聚合物膜基体中逃逸的速度能否与膜基体外部的泄压速度保持同步，是泄压时间对不同材质膜结构影响截然不同的根源所在。