改性聚二甲基硅氧烷富氧膜性能的研究.pdf

江南大学硕士学位论文改性聚二甲基硅氧烷富氧膜性能的研究姓名：周小兰申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：孙余凭20080501AbstractAbstractnle technology of oxygen enrichment is paid more and more attention、析tll the globaldevelopment of energy saving and environment protection．With its high oxygenpermeability,polydimethylsilicone(PDMS)is a favorable candidate for making oxygenenrichment membranes．With PS as a base membrane，a complex oxygen enrichmentmembrane is made by introducing high vinyl—PDMS，hydroxy—PDMS and theirmodificati—onsnle following have been studied：the preparation of crosslinking reagents．theeffects of forming conditions on membrane(for example，materials ratio，reactiontimes，forming temperature，catalyst concentrations，coating concentrations)and operationconditions(testing temperature．op—eration vacuum)on J02 and oxygen concentration．neintroduce of Si02 into the crosslinking net structure of PDMS membranes and the effects ofSi02 additives quantities，testing temperature，operation vacuum J02 and oxygen concentrationare investigated detailedly．The application of oxygen enrichment membrane on oxidation ofcumene and membrane bioreacter is also discussed．It is shown from the research results that，the preparation conditions of crosslinki—ng reagent is：reaction temperature 60"C，reaction time 3h，additives quantities of catalyst1mL／30mL(material)；membrane forming conditions were：material ratio：n(vinyl-PDMS)：n(-Si-H)=1：1，n(hydroxy—PDMS)：n(TEOS)=2：1,n(hy—droxy-PDMS)：n(-Si-H)21：l；reactiontime 3h；coating concentration：m(vinyl—PDMS／-Si-H oxygen—enrichment membrane)。

3％，m(hydroxy—PDMS／TEOS oxygen—enrichment membrane)25％．m(hydroxy—PDMS／一Si-Hoxygen—enrichment membrane=5％；catlyst concentration：m(vinyl-PDMS／-Si-H oxygen-end—chment membrane)=3％，m(hydroxy—PDMS／TEOS oxygen—enrichment membrane)=2％，m(hydroxy—PDMS／-Si-H oxygen-enrichment membrane)=2．5％；membrane formingtemperature 80"C；operation vacuum O．075MPa；testing temperature 25"C．It is demonstratedthe synthesis of silicone rubber-Si02 blended oxygen—enrichment membrane made a 3．5％increase in oxygen concentration and a 11．1％increase in oxygen flux when the membranecontained a mass percentage of 40％Si02．111e operation properties are not degraded by theaddition of Si02．It is shown from the comparison of the above mentioned four types compoundcoatings on silicone rubber that，the preparation condition of vinyl—PDMS／一Si-Hoxygen-enrichment membrane is stable and its oxygen concentration reaches more than 28％．The oxygen—enrichment membrane of(hydroxy·PDMS)／(TEOS) is superior tovinyl—PDMS／一Si—H on oxygen concentration and flux．But the stability of solvent is bad andpreparation conditions of the membrane were strict．Oxygen-enriching properties of Si02 containedsilicone rubber membrane are the best with oxygen concentration when it reaches over 29．5％．When the oxygen-enriching membrane is applied to oxidation of cumene，CHP yield isimproved almost two times wim enriched oxygen as the oxidant than that、订th air．The removalrate of COD is improved about 30％with enriched oxygen than that with air when the oxygen—enrichedmembrane is applied to membrane bioreacter．It is shown that the oxygen—enriched membranehas good operational performance．TTAbsttactKeywords：membrane of oxygen enrichment；silicone rubber membrane；crosslinkingreagent；modification；mixing；Si02IIl独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意签 名：图小兰 日 期：?略4 5目刃日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致保密的学位论文在解密后也遵守此规定签 名：导师签名：)习心、兰孙扫魄2壁垒主囝望旦日 期： ’磁与占目硇日．第一章绪论1．1富氧膜概况1．1．1富氧膜基础第一章绪论在当今世界面临能源短缺、环境污染的形式下，利用渗透选择性能从混合气体中分离或富集某一气体的高分子气体分离膜，以其节能、无污染及操作方便等诱人的优点引起了人们的极大关注膜法富氧技术是气体分离膜研究的热点之一，它是通过膜将空气中的氧气富集起来获得富氧空气的技术，发达国家称之为“资源的创造性技术"。

膜法富氧是在一定压力作用下将空气透过高分子富氧膜，由于膜对氧和氮的选择性不同，氧的透过速率大于氮的透过速率，这样在膜的另一侧得到比空气中氧浓度高的富氧空气高分子膜是膜法气体分离的心脏，除开发新的膜材料外，对现有高分子膜材料的各种物理化学改性，已经成为世界各国竞相研究的重要内容1．1．2富氧膜富氧机制利用膜分离气体，主要是根据混合液原料中各组分在压力的作用下，通过半透膜的相对传质速率不同而得以分离的原理，由于各种膜材料的结构和化学特性不同，所以迄今为止建立了不少膜透过模型…，但若想对各类气体分离膜的复杂传输过程用一种统一的理论来解释是不可能的本课题研究用的膜为非多孔膜，气体通过非多孔膜的流动属于溶解．扩散机理，虽然非多孔膜往往也有小孔，孔径一般为0．5．1nm，但是其性能仍以非多孔膜来考虑溶解扩散模型将膜看成一静止的非多孔极薄的扩散屏，物质通过膜的分散机理，包括气体在膜表面上的吸附、在膜表面的溶解吸收和扩散，可以分成4步：(1)气体分离膜与气体的接触2)气体向气体分离膜的表面溶解(溶解过程)3)因为气体溶解产生的浓度梯度使得气体在膜中向前扩散(扩散过程)随后气体就到达膜的另一侧，此时过程始终处于非稳定状态。

4)膜中气体的浓度梯度沿膜方向变为常数，达到稳定状态，此时，气体由另一膜面脱附出去的速度才变成恒定气体在非多孔膜中的扩散机理如图所示【2】：江南人学硕：仁学位论文o oo ooo oo ooo oo ooo非稳定状，々：ooooo oo ooooo o ooo膜ooooooo(2)(3) (4)图1．1 气体在非多孔膜中的扩散机理Fig．1—1 mechanism of gas diffusion in non—porous membrane富氧膜的评价【3】：1．渗透系数渗透系数表示气体透过膜的难易程度，是体现膜性能的重要指标它是指每单位时间、单位压力下气体透过单位膜面积的量与膜厚的乘积气体分离膜对气体的渗透系数因气体的种类、膜材料的化学组成和分子结构的不同而不同当同一种气体透过不同的气体分离膜时，渗透系数主要取决于气体在膜中的扩散系数，而同一种气体分离膜对不同气体进行透过时，渗透系数的大小主要取决于气体对膜的溶解系数渗透系数可用如下公式表示：尸：旦 AtAp式中P一渗透系数，cm3．cm．／(cm2．S．cmHg)(也可以用arm代替cmHg)，P的值随气体种类不同差别很大一般是在10一．10舶的数量级。

q一气体透过量，cm3／sL一膜的厚度，m(对于一些非对称膜来说，由于无法准确估算它的致密皮层厚度，通常不予考虑)A一膜的面积，In2t一时间，s△P一膜两侧的。