玉米醇溶蛋白基复合膜的制备及乙醇/水分离性能评价

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本文以疏水的玉米醇溶蛋白(zein)为起始原料,结合其溶解特性及silicalite-1分子筛的疏水特性,设计了四种不同结构的分离膜,即ZS和ZC膜、改性zein膜和zein/silicalite-1复合膜。采用渗透蒸发膜分离工艺,模拟生物乙醇发酵液料液成分,实现乙醇水溶液在低浓度下的浓缩和提纯,评价其在乙醇/水分离方面的应用。利用旋涂技术在多孔α-A12O3基材上制备单一连续zein基膜(ZS膜);依据zein的溶解特性,相分离法制备微球铸膜液,即先在基材上涂覆zein微球膜层,再按照ZS膜成膜工艺涂覆致密层得到复合zein基膜(ZC膜)。所制备的分离膜层厚度约为10μm,渗透蒸发工艺前后的单一气体渗透实验表明了膜的完整性和耐久性。渗透蒸发实验表明,在298K下,ZS、ZC膜经8h渗透蒸发,可将乙醇料液由3wt%提浓至8.73、9.51wt%;对3wt%乙醇料液而言,渗透通量(J)随着温度的升高而增大,分离系数(α)随着温度的升高而降低。ZS和ZC膜的较好的乙醇/水分离性能可用“开关效应”来解释。为提高zein膜的疏水性,首先用十六酰氯傅克酰化反应改性zein材料,再用旋涂工艺在α-Al3O2基材上制备改性zein分离膜。所制备的改性膜厚约10μm,乙醇/水分离性能有所提高。渗透蒸发实验表明:改性后的zein膜在303K下可将3wt%乙醇水溶液提浓到11.74wt%,乙醇的α和J分别为3.4~3.9和0.65~0.7kg·m-2·h-1;在298K条件下,随着料液浓度的增大,乙醇的α下降而J增加。改性zein膜疏水性增强,这对溶解-扩散传质机制中的膜表面乙醇优先选择吸附步骤有利。为开发分离选择性较高的zein基膜,借鉴silicalite-1/PDMS有机/无机杂化分离膜的思想,设计在α-A12O3基材上预先二次水热法制备silicalite-1分子筛层,以b轴取向的长条板状晶粒堆积膜为最佳;再采用ZS膜成膜工艺在其上涂覆适当厚度的致密连续聚合物zein膜层得到zein/silicalite-1复合膜。所制备的silicalite-1分子筛过渡膜层厚度约为10μm,复合膜厚约为15μm。分子筛膜层的加入弥补了zein膜分离选择性欠佳的不足,同时zein的优良成膜性弥补了刚性无机沸石膜空隙大,成膜性差的缺陷。即zein/silicalite-1复合膜实现两种材质的疏水性协同增强机制,其乙醇/水分离性能较单一silicalite-1分子筛膜有所提高。298K对3wt%乙醇水溶液的乙醇组分的提浓,乙醇的α和J分别为7.3~7.4和0.41~0.44kg·m-2·h-1,可将3wt%的乙醇/水溶液浓缩至18.62wt%。
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