聚氨酯渗透汽化膜制备及其分离苯/环己烷的研究

This study focuses on preparation of polyurethane membrane for separation of benzene/cyclohexane mixture through pervaporation. A series of polyurethane membranes with various chain segments and functional groups will be prepared through designing the polyurethane structure and optimizing technological parameter to probe the effect of chain structure on separation properties. The membrane will be modified to get specific structure by the methods of chain extension/crosslinking by coupling agent, filling/blending by inorganic ingredient, mixture/ polymerization with acrylate. Then the relationgship between membrane structure and performances of pervaporation in benzene/cyclohexane separation will be investigated. The mass transfer mechanism and separation principle will be researched by studing the relationship between the pervaporation working conditons and the separation performances, and the membrane structure change through the pervaporation process. Then the theory about pervaporation in bezene/cyclohexane separation through polyurethane membrane can be established.

本研究以苯/环己烷体系的渗透汽化分离性能为研究对象，制备聚氨酯系列分离膜。通过设计聚氨酯材料的结构，优化工艺参数，制备具有不同链段和官能团结构的聚氨酯膜，研究链段结构对分离性能的影响。通过偶联剂交联/扩链、无机物填充/杂化、丙烯酸酯共混/共聚等改性技术，制备出分离性能好、渗透性高的聚氨酯渗透汽化膜。研究膜结构与苯/环己烷分离性能的关系，研究渗透汽化条件对分离效果的影响作用，指导渗透汽化技术的进一步发展。

项目基于水性聚氨酯渗透汽化膜的结构设计、合成制备、改性与分离性能的研究，重点开展了以下工作：（1）水性聚氨酯结构设计与合成及成膜性能研究，重点研究了软段/硬段结构对膜性能的影响。聚酯型水性聚氨酯膜比聚醚型微相分离程度低，膜通量较小，但对苯的选择性、膜力学性和耐溶胀性更佳，最高分离因子达9.41；聚氨酯软段结构中引入苯环结构可提高膜对苯的选择性；证实了极性化作用和相似相溶原则可作为聚氨酯渗透汽化膜结构设计的重要依据，但极性化作用影响占主导地位。（2）添加硅氧烷、Co离子、环糊精及AgCl等传质促进剂对进行掺杂改性，研究证实硅氧烷改性膜中Si的存在形式对膜性能影响很大，Si微粒聚集成为无机相使膜分离因子提高20%；加入Co离子可提高膜对苯的亲和性，使分离因子从9.41提高至10.89；β-CD 包合无机粒子AgCl改性剂保障了无机离子的稳定性和均匀性，使β-CD@AgCl-WPU分离因子提高至10.07，渗透通量提高20%。（3）采用甲基丙烯酸酯单体对水性聚氨酯共聚改性，可提高提高膜的分离性能，分离因子最高可提高64%。（4）对渗透汽化过程工艺优化结果显示，膜厚度越厚，原料液温度越低，苯浓度越小，分离因子越高，但渗透通量相应越低；渗透汽化过程中膜 “干区”对分离的影响作用更加显著。