天津理工大学2013届本科毕业论文
铸膜液中析出了,导致膜表面变得致密。Jung等人研究发现随着添加剂PVP的加入,PAN超滤膜的皮层变厚,而且当加入的分子量很大时,成膜时PVP就不能完全从膜液中析出.
1.4本课题的选题意义和研究内容
1.4.1选题意义
氢气是一种重要的化工原料,大量用于合成氨、合成甲醇、加氢精制、加氢裂化等工艺过
程. 催化裂化干气中氢气体积含量在38%左右,为了合理的利用资源、节约能源和保护环境,满足工业生产对氢气的需求，制备出适用于催化干气分离制氢的PDMS-PS复合膜,具有极其重要的意义。
本组论文通过对以聚砜（PS）作基膜材料，磷酸三丁酯为添加剂，N·N-二甲基乙酰胺为溶剂制得基膜。并以硅橡胶（PDMS）溶液为基液，二正丁基二月桂酸锡为催化剂，正硅酸乙酯为交联剂，正庚烷为溶剂制得涂层液。通过对制膜工艺的研究做正交实验.选出合适的PS浓度、PDMS浓度、二正丁基二月桂酸锡浓度、正硅酸乙酯浓度、添加剂含量、制膜液温度、凝固浴组成、空气中停留时间，即最优基膜配方和涂层液配方。本文以最优基膜配方和涂层液配方为基准，以无水乙醇、正戊醇、丙酮、磷酸三丁酯、无水氯化锂、聚乙二醇、十二烷基苯磺酸钠做添加剂。制备出适用于催化干气分离制氢的PDMS-PS复合膜,并对膜结构和性能进行表征,研究添加剂对PDMS-PS复合膜膜气体分离性能的影响。
1.4.2研究内容
制备PDMS/PS复合膜，并利用纯氧、氮气对复合膜性能进行评价,通过实验研究这些膜的渗透性和选择性，考察添加剂种类、分子量对复合膜性能的影响,选出适用于干气分离制氢的PDMS-PS复合膜的最佳添加剂,利用红外光谱分析方法对不同添加剂的聚砜基膜和添加剂为磷酸三丁酯的聚砜基膜、PDMS-PS复合膜进行测定，分析硅橡胶涂层和添加剂在聚砜基膜中起到的作用。
利用热重分析法对不同添加剂基膜进行分析比较，分析添加剂对聚砜基膜热稳定性的影响。
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第二章 实验内容
2.1实验仪器与试剂
2.1.1实验仪器
实验使用的仪器及型号如表2.1所示：
表2.1 实验仪器
Table 2.1 Experimental Instrument
器材 评价池 电子天平 电热古风干燥箱 台式恒温振荡器 玻璃仪器 钢瓶
型号或规格
JI200 DL-101-3 QE-1 40L
来源或产地
常熟双杰测试仪器厂 天津市中环实验电炉有限公司 天津市欧诺仪器仪表有限公司
天津泰达气体有限公司
2.1.2实验试剂
本实验中使用的试剂如表2.2所示：
表2.2 实验试剂 Table 2.2 Reagents
试剂名称
聚砜(PS) 磷酸三丁酯 N,N-二甲基乙酰胺
规格 分析纯 分析纯
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来源或产地
天津工业膜天膜公司 天津市光复科技有限公司 天津市江天统一科技有限公司
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甲醛 乙醇 正庚烷
硅橡胶(聚二甲基硅氧烷,PDMS) 正硅酸乙酯
二正丁基二月桂酸锡 丙酮 无水氯化锂 正戊醇 聚乙二醇 聚乙二醇
十二烷基本磺酸钠
分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 95% 99.5% 分析纯 分析纯 分析纯
天津大学科威公司 天津市光复科技有限公司 天津市光复科技有限公司 阿法埃莎（天津）化学有限公司 天津博迪化工股份有限公司 阿法埃莎（天津）化学有限公司 天津市江天化工技术有限公司 天津大学科威公司 天津大学科威公司
阿法埃莎（天津）化学有限公司 阿法埃莎（天津）化学有限公司 天津大学科威公司
2.2描述气体分离膜性能的参数
气体分离膜的性能主要用气体渗透速率和分离系数两个参数来描述,分离系数越大,渗透速率越高,性能越好，然而二者往往不可兼得,本实验的主要任务是制备既具有较高分离系数,又具有较高渗透速率的气体分离膜。
2.2.1渗透速率
气体通过分离膜的渗透速率是指单位时间，单位面积，单位压力差透过的气体在标准状态下的体积,用Ji来表示:
Ji=Qi/(ΔP×A)
式中：Ji—气体i组分的渗透速率,单位cm3/（cm2·s·Pa）
Qi—i组分在标准状况下的渗透气体的体积流量,cm3/s; A—膜面积,cm2 ΔP—渗透压力差,Pa;
2.2.2选择性
膜对气体的选择性是指氧气的渗透速率与氮气渗透速率之比，用α表示：
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α1=J1/J2
式中：α1—聚砜基膜对氧气和氮气的选择性 J1—氧气的渗透速率，单位cm3/（cm2·s·Pa） J2—氮气的渗透速率，单位cm3/（cm2·s·Pa）
2.3实验步骤
2.3.1聚砜基膜的制备及膜性能的测定
1. 溶液的配制
以最优基膜配方为基准，按表2.2配制八瓶10g溶液。先称量一定量的溶质聚砜，然后再加入一定量的溶剂N，N-二甲基乙酰胺，由于部分添加剂挥发性较强，其所加的量又很少，为了减小实验误差，获得较准确的结果，所以最后加入添加剂。配置完毕后盖上瓶塞，放入台式恒温振荡器中。
表2.3基膜溶液的配方
Table 2.3 The ormulation of Basement membrane solution
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
26%溶质(2.6g) 聚砜 聚砜 聚砜 聚砜 聚砜 聚砜 聚砜 聚砜
2%添加剂（0.2g） 无水乙醇 正戊醇 丙酮 磷酸三丁酯 无水氯化锂 聚乙二醇（400） 聚乙二醇（2000） 十二烷基苯磺酸钠
72%溶剂（7.2g） N.N-二甲基乙酰胺 N.N-二甲基乙酰胺 N.N-二甲基乙酰胺 N.N-二甲基乙酰胺 N.N-二甲基乙酰胺 N.N-二甲基乙酰胺 N.N-二甲基乙酰胺 N.N-二甲基乙酰胺
:括号中的数值为聚乙二醇的分子量.
2. PS基膜的制备
当聚砜完全溶解，从台式恒温振荡器取出溶液，静置脱泡，待气泡完全脱除后用玻璃棒在玻璃板上刮四层的膜，在空气中静置15s后，放入凝固浴（5%的甲醛溶液）中完成相转化。浸泡24Min 后取出，在室温下悬挂晾干后，対膜按照表2.3进行编号，然后放入试样袋备用。
3. PS基膜O2渗透速率的测定
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取出添加剂为无水乙醇的1号膜，将膜裁剪合适后放入评价池中，开启氧气瓶，调节压力为0.2MPa。通入氧气，使氧气通过评价池。在将评价池连上U型管的同时开启秒表计时，记录液位上升一定距离时所使用的时间。测量记录完毕，先断开评价池与U型管的连接，然后关闭氧气瓶。
然后打开评价池，取出1号膜，放入2号膜，重复上述步骤，测定2号膜的O2的渗透速率。其他膜的O2渗透速率测定方法同上。即得到该组基膜的氧气渗透速率数据。
4 . PS基膜N2渗透速率的测定
取出添加剂为无水乙醇的1号膜，将膜裁剪合适后放入评价池中，开启氮气瓶，调节压力为0.2MPa。通入氮气，使氮气通过评价池。在将评价池连上U型管的同时开启秒表计时，测量液位上升一定距离时所使用的时间。测量记录完毕，先断开评价池与U型管的连接，然后关闭氮气瓶。则一号膜的N2的渗透速率测定结束。
然后打开评价池，取出1号膜，放入2号膜，重复上述步骤，测定2号膜的N2的渗透速率。其他膜的N2渗透速率测定方法同上。即得到该组基膜的氮气渗透速率数据。
2.3.2实验装置流程图
膜性能评价流程图如下图2.1所示
1-气瓶 2-阀门 3-稳压阀 4-压力表 5-U型管 6-评价池 7-卸压阀
图2.1膜性能评价流程图
Figure2.1 Schematic diagram of membrane Performanee test
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