摘 要

近年来，由于全球性的能源短缺、石油危机以及环境问题的日益严重，燃料乙醇作为一种新型绿色能源具有良好的发展前景。在燃料乙醇生产过程中，发酵液中产物乙醇的分离是影响产率的关键步骤。膜法分离醇水混合物（渗透汽化技术）相比于传统方法具有高效、低能耗、环境友好等优势，逐渐受到了广泛的关注。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜具有良好的抗氧化性、耐热性、疏水性及化学稳定性，在渗透汽化优先透有机物过程中具有极其广泛的应用。但目前膜性能尚不能满足实际应用。为了提高PDMS膜的渗透通量，本工作以PDMS作为分离层高分子材料，以陶瓷、聚丙烯腈（PAN）和聚偏氟乙烯（PVDF）作为支撑体，采用旋涂法制备了超薄复合膜，并通过接触角测试、场发射扫描电镜（FESEM）表征了其物理化学性质。结果表明，PDMS的涂覆对复合膜支撑体表面形貌结构产生了一些影响但并未发生根本变化，证明PDMS层厚度较薄，但PDMS涂覆对疏水性的影响较大，三种支撑体的疏水性均有显著提高。考察了料液浓度、温度以及支撑体类型对复合膜渗透汽化性能的影响。实验结果表明，不同支撑体的复合膜分离因子相近，但渗透通量具有显著差别，PDMS/PVDF复合膜具有最优的分离性能，且随温度升高，分离因子几乎保持不变，渗透通量显著提升。

关键词：PDMS 复合膜 旋涂 渗透汽化 醇水分离

Abstract

In recent years, due to the global shortage of energy, the oil crisis and the increasingly serious environmental problems, fuel ethanol as a new type of green energy has good prospects for development. In the production process of fuel ethanol, it is a key step affecting yield that to separat the product of ethanol from fermentation . Compared to the conventional method, membrane separation of the alcohol-water mixture (pervaporation technology) have the advantages of high efficiency, low energy consumption, environmentally friendly, membrane separation gradually received wide attention.

Polydimethylsiloxane (PDMS) film having good oxidation resistance, heat resistance, hydrophobicity and chemical stability, has an extremely wide range of applications in pervaporation priority through organic process. But the film properties can not meet the practical application. In order to increase the flux of PDMS membrane, we make PDMS as a separation layer polymer materials, the ceramic, polyacrylonitrile (PAN) and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a support to manufacture thin composite film by spin-coating, and use contact angle measurements, field emission scanning electron microscope (FESEM) to characterize the physical and chemical properties. The results showed that the coating PDMS composite membrane support surface topography has had some impact, but not a fundamental change, prove PDMS layer is thin, but a greater impact on the hydrophobic. the hydrophobic of three support coated PDMS have improved significantly. We also studied the effect of feed concentration, temperature and the type of support for the composite membrane pervaporation performance. Experimental results show that the composite membrane with different support have similar separation factors, but a significant difference in flux, PDMS / PVDF composite membrane has the best separation performance, and with the increasing of temperature, the separation factor remained almost unchanged, flux significantly improved.

Key words: PDMS; Composite film; Spin coating; Pervaporation; Liquid separation

目录

摘要 i

Abstract ii

第一章 文献综述 1

1.1研究背景 1

1.1.1燃料乙醇生产现状 1

1.1.2渗透汽化技术 2

1.1.3 渗透汽化在燃料乙醇生产中应用 3

1.2 渗透汽化膜 4

1.2.1膜材料的选择 5

1.2.2 复合膜的制备 6

1.2.3 超薄复合膜的制备 7

1.3论文选题及研究思路 8

第二章 实验部分 9

2.1 实验材料及仪器设备 9

2.1.1 材料与试剂 9

2.1.2 实验设备 9

2.2 膜的表征 10

2.2.1 场发射扫描电镜（FESEM） 10

2.2.2 接触角测试 10

2.3 渗透汽化实验 10

2.3.1 实验装置 10

2.3.2 实验步骤 11

2.3.3 评价指标 12

2.3.4 原料液和透过液浓度的测定 12

第三章 实验结果与讨论 14

3.1复合膜的制备 14

3.2 复合膜的形貌及亲水性表征 15

3.2.1 复合膜的形貌 15

3.2.2复合膜的亲水性 16

3.3 复合膜的渗透汽化性能 17

3.3.1 支撑体类型的影响 17

3.3.2 操作温度的影响 18

3.3.3 原料液浓度的影响 20

3.3.4 醇水分离渗透汽化性能对比 22

第四章 结论 24

参考文献 25

致 谢 27

第一章 文献综述

1.1研究背景

1.1.1燃料乙醇生产现状

近年来，由于全球性的能源短缺、石油危机以及环境问题的日益严重，通过发酵法生产燃料乙醇，受到学术界及工业界的广泛关注。燃料乙醇是指向汽油或柴油中加入一定比例的无水乙醇来作为汽车等的燃料[12]。作为一种含氧量高的环保型石油替代燃料，乙醇和汽油、柴油混合后，可有效提高其燃烧效率，并且乙醇燃烧尾气清洁无害，可以避免产生环境问题。燃料乙醇的大规模推广，不仅可以缓解我国对进口石油的依赖程度，而且对加强环境保护，促进可持续发展，具有长远的战略意义。

当今世界，燃料乙醇生产最为经济、成熟的国家是美国和巴西。多年来，美国的乙醇生产量一直位居全球第一，2014年，美国生产了143.13亿加仑（541.8亿升）乙醇。同时，美国也在不断提高燃料乙醇在能源消费中所占的比重，以减轻石油资源短缺带来的压力，2016年，美国生物燃料消费需求达到181.1亿加仑（685.54亿升）。巴西主要依靠甘蔗来生产燃料乙醇。2013年，巴西燃料乙醇全年产量已超过1880万吨，巴西大规模推广燃料乙醇，并使其代替了国内50%汽油，巴西全国有3万多个加油站提供纯乙醇燃料，有400多万辆汽车使用纯燃料乙醇。

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