介孔氧化硅担载膜的表面改性技术及醇/水分离机理研究

利用溶胶-凝胶工艺和浸渍-提拉成型技术在氧化铝非对称膜管上制备介孔的氧化硅担载膜，通过化学改性键合疏水性有机大分子膜层和化学气相沉积技术制备纳米炭膜层，制备出高选择性、高渗透量氧化硅基担载复合膜。通过表面改性和炭膜沉积技术，修饰和调控复合膜的孔径分布和增强膜层表面与乙醇分子的化学亲和力，从而实现乙醇／水混合体系在膜层表面产生化学亲和力的差异，通过表面吸附作用和毛细管凝聚作用的耦合、协同机制，实现乙醇组分的优先分离。采用渗透蒸发/蒸汽渗透膜分离工艺，实现乙醇/水在低乙醇浓度约1～3wt%﹙初始生物乙醇的发酵液浓度﹚下，对乙醇组分的直接高效浓缩和提纯，实现乙醇分离系数达到80以上，渗透流量在1 kgom-2oh-1左右，解决生物乙醇提浓工艺的关键技术。并建立渗透蒸发/蒸汽渗透工艺条件下乙醇分子通过氧化硅担载复合膜的传质模型，拓展乙醇∕水体系的分离机制和理论。

通过溶胶-凝胶工艺和浸渍-提拉成型技术在氧化铝非对称膜管上制备介孔的氧化硅担载膜，利用不同碳链长度的硅烷偶联剂进行表面化学改性，以提高膜层的疏水性；通过有机聚合物的膜热解工艺在介孔氧化硅担载层的表面合成强疏水性的炭膜，在介观和微观层面上调控炭膜的超微孔结构尺度和分布；通过水热合成技术在氧化铝非对称膜管或基片上合成疏水性较强的silicalite-1沸石膜，通过调控silicalite-1分子筛晶体的空间生长取向，研究了分子筛膜微观纳米结构的差异对宏观醇/水分离性能的影响。利用zein的两亲性和结构导向作用，合成了b-轴优先取向的silicalite-1沸石筛膜，对3~5 wt%乙醇发酵液通过膜渗透蒸发工艺直接提浓到72~76wt%的范围，实现了乙醇的优先分离，乙醇分离因子达80左右，总渗透通量在0.45~0.56 kg∙m-2∙h-1范围内。通过膜组成和结构设计，研究了不同担载膜组成结构、表面改性技术、渗透蒸发膜分离工艺对复合担载膜醇/水分离性能的影响，建立了渗透蒸发膜分离工艺通过不同结构担载复合膜的传质模型，拓展乙醇∕水体系的分离机制和理论。