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聚乙烯醇(PVA)可用作渗透汽化膜材料,但因高温耐热性差应用受到一定限制.本课题对PVA进行化学改性,合成了一种聚阳离子PVA和三种聚阴离子PVA,再将聚阴、阳离子自组装成聚离子复合物(PIC).对合成的各种聚离子PVA及其复合物膜材料进行了结构表征和性能测试.
聚离子PVA的合成及结构与性能表征:在氢氧化钠催化下,PVA分别与3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵、氯乙酸发生醚化反应,合成了季铵盐阳离子PVA(QACPVA)、羧甲基取代阴离子PVA(CMAPVA);在硫酸的催化下,PVA分别与磷酸、硫酸发生酯化反应,合成了磷酸酯化阴离子PVA(POAPVA)、磺酸基取代阴离子PVA(SLAPVA);分别用红外(IR)、扫描电镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、电导率仪和溶胀实验对四种聚离子PVA膜材料进行了结构表征和性能测试.实验结果表明,聚离子PVA在IR上分别呈现了阴、阳离子基团的特征吸收,SEM照片较PVA表面形态也发生了明显变化;DSC显示聚离子PVA的耐热性较PVA显著提高;聚离子PVA水溶液具有导电性,溶液的电导率与溶液的浓度成正比,符合关系式K=α·C;聚离子PVA膜在乙醇溶液中的溶胀度随水的增加而增大,对水具有较强的吸附选择性.
PIC的制备及性能表征:将聚阳离子QACPVA分别与聚阴离子CMAPVA、SLAPVA及POAPVA自组装,制备了三种PIC膜.考察了自组装溶液pH值对PIC膜溶胀性能的影响.实验结果表明,当溶液中pH值为7(即阴阳离子摩尔比为1:1)时,形成的PIC膜溶胀度最小,耐水性最佳;利用一维红外(1D-IR)和二维红外(2D-IR)相关分析对不同浓度乙醇中水在PIC膜中的吸附、扩散行为进行了研究.在1D-IR中,随乙醇溶液中水的增加,膜在1650cm<-1>和3300cm<-1>处的吸收峰强度迅速增大,说明PIC膜对水具有较强的吸附选择性;在2D-IR上,1200-2000cm<-1>处的红外相关分析表明,乙醇中的水主要靠PIC膜中交联的聚离子基团和羟基被吸附,3000-3800cm<-1>处的红外相关分析表明,水在膜中扩散的过程为:水首先被膜吸附,降低了膜内羟基自身缔合的程度,然后水与膜内羟基形成新的氢键,直至达溶胀平衡.采用红外分析还了解了温度对PIC膜中水的解吸行为,将PIC膜在70﹪乙醇溶液中达溶胀平衡后测定其红外光谱.红外分析表明,随温度升高膜中的水迅速释放,水的吸收峰高移,峰强度逐渐变小至消失.说明PIC膜中的水容易被汽化而解吸.同时,还测定了PIC膜的吸水速率,与纯PVA膜相比有了很大提高,进一步证明了合成的PIC膜是较强的亲水膜.
PIC复合膜的渗透汽化性能测试:将所制QACPVA/CMAPVA、QACPVA/SLAPVA及QACPVA/POAPVA三种PIC分别与聚丙烯腈(PAN)制备PIC复合膜,用于95﹪乙醇/水和95﹪异丙醇/水混合体系脱水,三种PIC复合膜的分离因子α均大于1000,渗透通量J均大于300g/(m2·h),较其它共混膜、交联膜、纯PVA及聚离子PVA膜都有了显著提高.
本研究制备的自组装PVA聚离子复合物膜,用于醇脱水,具有分离选择性高、渗透通量大、一次成膜无沉淀、工艺简单易操作等优点.克服了异种基材PIC膜制备易沉淀、二次或多次涂敷成膜工艺复杂等缺点.有利于渗透汽化膜分离技术的大规模工业化推广应用.首次将现代2D-IR分析技术运用于膜结构及其渗透汽化过程表征,为渗透汽化膜分离过程研究奠定了一定理论基础.