论文部分内容阅读
离子液体作为一种绿色溶剂有望在能源和环境等问题中发挥重要的作用。但离子液体普遍价格昂贵,不可被直接排放,需对其进行回收。压力驱动型膜分离技术(如反渗透)是回收离子液体的有效方法之一。相比于反渗透技术,膜蒸馏技术由于不受渗透压影响,对非挥发性物质具有优异的截留性能,有望在离子液体回收中获得应用突破。然而,针对膜蒸馏分离离子液体-水混合液这一全新过程,膜材料选择、膜污染与润湿、过程传质与传热等问题尚待研究。针对上述问题,本文从膜制备、膜污染、过程优化等方面进行了较为系统的研究。主要结果如下:(1)采用等离子体技术对亲水聚丙烯腈膜(PAN)表面进行了疏水改性,制备了适用的疏水多孔膜。考察了等离子体的放电功率对PAN膜表面疏水性、形貌、表面孔径和孔隙率等参数的影响。与原PAN膜相比,改性PAN膜(PAN-C膜)的接触角由45°增加至132°,表面孔径由24.6 nm增加至150.5 nm,表面孔隙率由7%增加至32.3%。改性膜中PAN-Cl膜(等离子体功率80 W)分离1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([Bmim]Cl)水溶液的稳定性最好。此外,还考察了 PAN-Cl膜的化学稳定性,发现其具有较强的耐酸、耐有机溶剂和耐离子液体性能。(2)实现了高浓度[Bmim]Cl水溶液的真空膜蒸馏(VMD)高效浓缩。采用PAN-C 1膜浓缩20wt%的[Bmim]Cl水溶液,并对浓缩过程进行优化,结果表明PAN-Cl膜可将[Bmim]Cl水溶液浓缩至65.5%,膜的[Bmim]Cl截留率在90%以上,通量恢复率在95%以上,[Bmim]Cl的总回收率为99.5%。此外,在VMD浓缩[Bmim]Cl水溶液的过程,膜污染明显,膜污染形成过程如下:由于浓差极化和PAN-Cl膜的亲水化作用,导致[Bmim]Cl吸附至膜表面,膜污染开始形成(可逆污染);[Bmim]Cl在膜面不断累积时,并向膜面孔内迁移,导致膜面和表层润湿;最后[Bmim]Cl渗透进入膜的指状孔内,形成不可逆污染。(3)从离子液体与膜面相互作用角度进一步探明了 VMD分离离子液体-水混合液过程中的膜污染热力学机理。通过XDLVO(extended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理论计算了不同膜与不同离子液体之间的相互作用能,结果表明,该类膜污染主要由表现为吸附作用的极性作用能(AB)控制。此外,膜面粗糙度越大,膜面极性越高(F/C比越小),膜面负电荷越少,离子液体浓度越高,离子液体与膜面越易相互吸引,导致膜污染加重。通过上述分析,选择了粗糙度低、F/C比高、表面负电荷多的商业聚四氟乙烯(PTFE)膜对[Bmim]Cl水溶液进行浓缩,发现该膜可将20 wt%的[Bmim]Cl水溶液浓缩至86.2 wt%。(4)建立了 VMD分离离子液体-水混合液的传质与传热过程。以纯水体系为依据,获得了适用于本实验组件的传热、传质经验公式,结合离子液体-水混合液的各个物性参数和经验公式建立了离子液体体系下的通量预测模型,预测值与实验值吻合度较高。利用预测模型计算了温差极化系数(TPC)和浓差极化系数(CPC),讨论了不同操作条件对其产生的影响。结果表明,该过程的浓差极化对通量造成的影响大于温差极化的影响。