[发明专利]一种PIMs超薄层复合中空纤维膜在分离醇水中的应用

说明书

本发明公开了一种PIMs超薄层复合中空纤维膜在分离醇水中的应用，所述膜是在中空纤维膜内腔表面喷涂PIMs制成，所述PIMs喷涂厚度为45nm～4μm。利用气吹法代替传统的涂覆法可以获得均匀无缺陷微孔聚合物超薄膜，45nm已经是目前微孔有机聚合物超薄膜领域最薄的膜了；在膜精馏分离异丙醇/水体系可以取得最小的HTU值为4.5cm，此方法操作简单易行，无需特殊仪器设备，操作成本低。本发明所述超薄PIMs复合中空纤维膜的制备方法灌涂简单易行，能够制备出目前该领域最薄膜，可以大规模生产，并且PIMs材料的疏水性、微孔性以及超薄型都能够在膜精馏分离醇水体系传质过程中起着积极作用，能够收到较大性能的提升。

(一)技术领域

本发明涉及一种超薄高分子膜材料制备及醇水分离技术领域，具体涉及超薄自具微孔聚合物PIMs层复合膜分离醇水的应用。

(二)背景技术

醇/水分离一直是化工行业的一个热门话题，目前也已经有了一些传统的分离工艺手段，包块恒沸精馏和萃取精馏，这两种成熟的工艺手段的共同点都在于加入某种添加剂以增加被分离组分的相对挥发度，因此最终所得产品中都有添加剂的残留，并且由于共沸剂的化学性质，因此还具有一定的安全隐患。其次，绝大多数传统蒸馏手段都是采取热驱动因此耗能较大并且分离效率较低，需要采取一些特定的手段来降低蒸馏技术的能耗和提高分离效率。出于这些方面的考虑，研究者发现膜分离技术在分离方面的独特优势就较明显了，一方面，膜分离技术较常规工艺，消耗的能量较低，可以较大的节约成本；另一方面，膜分离技术操作简单，可大规模被应用；再者，膜分离技术在安全隐患上较小，符合绿色工艺的要求，在分离系数上也较高，可满足工业需要。当前应用于醇水分离膜技术手段主要有膜蒸馏、渗透汽化和膜接触器。膜接触器在醇水分离领域具备的优势除了上述的优势以外，与传统精馏塔单元相比，利用中空纤维膜作为规整填料来优化精馏塔性能，可以提供更大的接触面积，两流体的流速可分别独立控制，新型膜接触器不论在传质效果还是在工艺上都有很大优势，并且，膜接触器作为精馏载体的分离过程中几乎不发生液返、雾沫夹带、沟流等常规精馏过程经常出现的严重问题。

膜材料是膜分离技术的核心，目前膜材料从材质上可以被分为有机膜和无机膜两类，由于需要制作为膜组件进行测试，有机膜较无机膜具备较好的可折叠性和弹性，因此被广泛应用于膜接触器实验。目前被广泛应用的商业膜主要有PES、PP、PS、PAN和PVDF等，于这些单一商业膜的研究目前已经较为完善，目前研究者关注的方向是利用填充物对原商业膜进行改性，主要的研究方向趋势有提高原膜的稳定性，包括其热稳定性和耐醇稳定性；根据对膜精馏的传质过程的分析，通过添加合适的填充物提高原膜对醇水的分离效率，降低精馏的HTU值等等。当前研究较热的方向是减小在膜精馏物质交换过程中的一个膜带来的阻力，主要的方法有提高膜本身的疏水性和减小膜的厚度。本课题组曾今利用具备较好耐热耐化学试剂稳定性的无孔疏水性材料PDMS作为涂层材料对一些商业化中空纤维膜进行改性并且取得了在此领域的一些突破，但Cussler课题组曾对无孔材料和微孔材料膜在此领域做出性能的对比，最后的结论是膜的微孔性在物质交换过程中起着积极的作用，微孔性会有效的减小膜阻，提高最后总的物质传输系数，最终带来膜精馏分离效率的提高。

目前由共价键连接的微孔有机聚合物(MOPs)在储存材料、吸附材料和分离材料应用上得到了广大研究者的注意，在分离膜应用上，微孔有机聚合物拥有着特别的优势，微孔有机聚合物分离膜材料可以简单的通过合理的化学实验设计和特定的合成手段来调整膜的结构和性能。其中，PIMs材料在膜材料应用中，相比于其他MOPs材料，最大的特点也就是优势之处在于其可以较容易溶解于有机相中，可以通过各种成膜方式制备成膜，如通过溶剂蒸发方法制备独立支撑薄膜，通过旋涂或滴涂方式制备功能层薄膜等。与PDMS相比之下，PIMs除了拥有其较好的热稳定性，化学稳定性和疏水性外，还拥有者其他一些优势，比如上面所提到的微孔性在膜精馏当中的一个重要作用，还有就是PIMs膜材料对于醇水分离的高效性已被较多文献所验证，在渗透汽化和有机溶剂纳滤方面，PIMs材料展现出对醇特殊的亲和性。而且据我们所知，目前还没有相关文献报道将PIMs材料运用于膜精馏实验中，这给我们提供了一个契机。