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渗透汽化是最有希望在有机物脱水、水中除去少量有机物等方面实现大规模工业化的新兴膜分离技术。根据溶解扩散模型,分离膜的表面结构性质对膜的分离选择性及分离通量有着重要的影响。研究膜表面化学基团与渗透汽化分离性能的关系无论对于高性能分离膜的设计还是分离机理的研究都具有重要意义。
本文通过玻璃板诱导端羧基、端羟基功能化的聚苯乙烯以及聚苯乙烯-聚异戊二烯一聚苯乙烯三嵌段聚合物的亲水功能端基向表面离析制备了表面带有羧基、羟基渗透汽化分离膜。研究了表面化学基团的种类对膜分离性能的影响,实验结果说明表面基团种类对分离选择性影响很大,对水的分离选择性依次为:-COOH>-OH>phenyl,而对渗透通量的影响很小。但是,当表面基团结构性质相同而膜本体结构不同时,膜的分离选择性相同,而通量不同。这意味着在本实验体系下,渗透汽化膜的分离选择性很大程度上由膜表面性质决定,而通量由膜的本体结构决定。
此外,将小分子量端羧基、氟甲基聚苯乙烯按一定比例加入到普通聚苯乙烯溶液中,利用玻璃板及空气面环境分别诱导制备了表面带有不同羧基量与氟甲基量的聚苯乙烯膜,并得到XPS、表面能测试及接触角等分析技术的证实。研究了聚苯乙烯膜表面基团种类、数量对乙醇/水体系分离性能的影响,结果表明聚苯乙烯膜对水的分离选择性随着表面羧基量(0-1wt﹪)的增加而增加,但是通量没有明显变化;而随着表面氟甲基量的增加而降低,渗透通量在小分子量端氟甲基聚苯乙烯含量低于1wt﹪时是不变的,而当小分子量端氟甲基聚苯乙烯含量高于1wt﹪时渗透通量下降。这一结论得到了溶胀实验,及膜表面溶出物的GPC谱图随溶解时间变化关系实验的证实。
同时,我们发现端基功能化分离膜空气面渗透液中水浓度随着膜运行时间有一个上升的过程,而玻璃面渗透液中水浓度随分离时间的进行变化很小。这是因为分离过程中膜表面发生重构,亲水的功能端基羧基、羟基会向表面离析,或者疏水的功能端基氟甲基向本体中移动,使膜表面变得亲水的缘故。而玻璃面没有发生重构是因为在成膜过程中极性的组分已经离析到了膜的玻璃面。而分离结果说明膜的表面重构行为与功能端基的种类,分子链的结构,分离温度以及分离料液的极性有关,这与高分子表面重构研究的结果基本相符。