改性二氧化硅结合转化为生物乙醇PDMS聚合物膜的选择

文摘

在这个工作中,聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物膜是将气相法白炭黑纳米颗粒制造的,携带两个硅烷偶联agents-NH₂(CH₂)₃Si (OC₂H₅)₃(摘要)和北半球₂(CH₂)₂NH (CH₂)₃Si (OC₂H₅)₃(ts)——选择性去除乙醇水溶液通过渗透蒸发。这是证明,大团聚体不均匀分布的观测表明改性二氧化硅在PDMS矩阵。有人指出乙醇扩散系数和水接触角均显著增加,有利于乙醇的优先渗透通过膜。渗透蒸发的结果表明,两种改性二氧化硅纳米颗粒的加入显著提高了混合膜的渗透性和选择性。摘要相比,硅改性的ts 4 wt %的浓度导致最优渗透蒸发膜的最大分离系数12.09和相应的渗透通量约234.0 g·m⁻²·h⁻¹在一个二元水混合物在40°C包含10 wt %乙醇。观察有利于选择耦合剂来改善亲水填料之间的兼容性和疏水性聚合物膜在准备混合矩阵。

1。介绍

与环境污染的加剧和不断上升的石油危机,清洁能源,如生物乙醇,生产的生物质发酵得到了越来越多的关注(1]。在实践中,通常与传统发酵生产乙醇产量约8 wt。%乙醇因为更高的乙醇浓度的水溶液能抑制酿酒酵母的繁殖发酵的培养基配方,甚至杀死他们,最后停止发酵(2,3]。为了提高乙醇产量,另一种方法是,乙醇可以连续、高效地从发酵饲料中删除。渗透蒸发膜分离过程是一个有吸引力的技术而言,能源和成本效率与广泛利用分离方法(如蒸馏和气体剥离)(4,5]。这个过程允许的组件优先透过膜脉冲由不同的化学势。显然,膜材料是最重要的一个关键元素的渗透蒸发设备。乙醇的特定应用程序恢复,聚二甲基硅氧烷(PDMS)是最有前途的膜材料的疏水性(6,7),其渗透蒸发膜已经商业化,如PERVAP苏尔寿公司生产的4060 Chemtech和PolyAn由PolyAn GmbH8]。不幸的是,缺点是选择性的包裹,纯PDMS膜通常是小于10.8 (9]。

为进一步改善包裹的分离性能,另一种方法是,PDMS矩阵混合了各种填料,包括沸石(例如,silicalite-1 [10,11]和ZSM-5 [12(mof)[]),金属有机框架13,14),(气相法白炭黑15,16摘要纳米管近年来聚磷腈],[17),和炭黑18]。气相法白炭黑是一个极其重要的无机材料,无毒、无污染,具有多孔结构和较高的比表面积19,20.]。然而,由于广泛的羟基组的存在在其表面,PDMS矩阵中的气相法白炭黑纳米粒子会形成城市群导致不均匀分布。因此伟大的必要性对硅表面化学方法(21,22]。通常情况下,硅烷偶联剂被用来提高疏水性二氧化硅的他们的双功能组15,23,24]。

在这个工作中,气相法白炭黑纳米颗粒在硅烷偶联剂表面处理后被分散到PDMS矩阵制作混合膜分层醋酸纤维素(CA)支持通过渗透蒸发膜从水中回收乙醇。为了说明耦合剂对分离性能的影响,3-aminopropyltriethoxysilane (NH)₂(CH₂)₃Si (OC₂H₅)₃摘要)和N -乙二胺(NH (3-triethoxysilylpropyl)₂(CH₂)₂NH (CH₂)₃Si (OC₂H₅)₃ts)是用来修改二氧化硅,和改性二氧化硅的影响混合膜的性能进行了评估。

2。实验

2.1。材料

PDMS (107 # RTV粘度10000 mPa·s)是由晨光化工研究院(中国成都)。气相法白炭黑的粒径12海里,一个特定的表面面积200 m²·g⁻¹是来自沈阳化工有限公司(沈阳、中国)。摘要和谢霆锋从阿拉丁购买(上海,中国)。Tetraethylorthosilicate (teo)和二月桂酸二丁基锡(DBTDL)从J&K购买化工有限公司(上海,中国)。乙醇和n己烷从化学试剂国药控股有限公司收购有限公司(上海,中国)。CA微滤膜(平均0.45孔隙大小μ米)从上海新亚净化设备,采购有限公司(上海,中国)。

2.2。混合膜的制备

混合膜准备基于我们之前报道的方法(25]。过程示意图如图1。通常,光秃秃的被硅烷偶联剂首先功能化,气相法白炭黑APTS-SiO命名₂和TSED-SiO₂,分别。和相关的化学反应提出了方案1(a)与聚合物混合解决方案后,APTS-SiO的乙氧基的团体之一₂或TSED-SiO₂是用一个PDMS羟基的反应,如计划所示1(b)。然后,这些嫁接PDMS链与teo交联。最后,混合膜是基于铸造和溶剂蒸发法。

2.3。形态学测量

得到了混合膜的表面和截面形态采用XL30扫描电子显微镜(SEM、范、美国)。薄膜样品在液氮准备横截面形态标本骨折,和所有的样本黄金溅射前测量。

2.4。接触角测试

膜的润湿性由接触角测量与评估OCA20光学接触角测量仪(DataPhysics,德国)。蒸馏(DI)水(或无水乙醇)下降在膜表面在室温下,和照片拍摄十年代后表面滴了下来。与ImageJ接触角的测量。

2.5。乙醇扩散系数

乙醇扩散系数后的分离层是由著名的方法(26]。考虑到高波动性的乙醇,反向过程执行。通常情况下,与450年干分离层μ米厚度浸泡在乙醇和达到一个平衡吸附状态留在一个大气环境。样本随后取出,乙醇很快从表面擦去,和饱和吸附量以及质量被记录在时间t定期。

2.6。渗透蒸发

实验渗透蒸发设置示意图如图2。膜密封在一个膜模块完全沉浸到一个提要的解决方案。值得注意的是,浓差极化是有效地减少了不断搅拌。进料浓度10 wt。%,进料温度保持在40°C使用恒温水箱。渗透与氮的蒸汽被一个稳定的流量为0.5 L·分钟⁻¹这是与转子流量计测量。同时,用真空泵在渗透方面,和下游压力渗透一侧是20 kPa。稳定运行后,渗透在冷阱浓缩液态氮冷冻,随后获准到室温,然后加权。

膜的渗透蒸发性能评估由渗透通量(J/ g·米⁻²·h⁻¹)和分离系数(α),是由(1)和(2)二元混合物系统: 在哪里和分别表示渗透质量和测试时间。是膜的有效面积,在实践中是5.03×10⁻³米²。和乙醇和水的质量分数的渗透,而和乙醇和水的质量分数的饲料,分别。WAY-2W阿贝折射仪(荆轲,中国,精度±0.0002)来测量乙醇浓度(27]。此外,单独的驱动力的影响,磁导率(P_我,摩尔m / m²Pa)的组件我(乙醇或水)和摩尔选择性(β)可以被描述为28- - - - - -30.] 在哪里l(m)是分离层的厚度,J_我(摩尔·米⁻²·年代⁻¹)是摩尔通量,和(Pa)代表了分压在饲料和渗透,和(Pa)摩尔分数和纯组分的饱和蒸汽压我提要,而是组件的活度系数我提要中,计算与阿斯彭+软件(版本7.2,属性方法UNIQUAC、),乙醇和水的活度系数是4.033和1.004的10 wt。%乙醇/水混合物在40°C。和分别是乙醇和水的渗透率。

在低渗透压力(氮流量高),可以被忽视(31日]。因此,(3)成为如下。

3所示。结果与讨论

3.1。混合膜的形态

表面和截面形态的PDMS膜混合APTS-SiO包含4 wt。%₂如图3。分离层的厚度约为10μm。从图3可以看出,填料粒子是不凝聚在一起,并均匀分布在整个PDMS矩阵,这是归因于PDMS和SiO之间的化学键的形成₂通过偶联剂了,如示意图所示方案1。这表明,密度和缺陷自由混合膜成功准备。也值得一提的PDMS链也可以SiO化学结合₂纳米粒子使用偶联剂ts, APTS-SiO之间在形态上没有区别₂和TSED-SiO₂了PDMS混合膜。

3.2。乙醇扩散系数

渐近的质量损失的函数t纯粹的PDMS和PDMS混合膜含有填料的浓度绘制在图4 wt。%4。可以看出满PDMS的质量损失速率的相对速度比纯粹的PDMS,因此它可以得出乙醇混合膜的扩散系数改进的两种改性二氧化硅粒子相比原始的价值PDMS膜。值得注意的是,谢霆锋在乙醇改性膜中扩散系数的影响比进行了更加明显。这是归因于这样一个事实:ts的疏水性是高于了。应该注意的是,氨基质子化了的有丰富的氢离子在酸性条件下,生成的,因此,在亲水性;相反的,在其他情况下(中性或碱性条件),它具有疏水性。显然,在这个实验中,进行了和谢霆锋都是疏水性,后者疏水性高于前根据它们的化学结构。

3.3。接触角

评估PDMS混合膜的疏水性质满是由不同的耦合剂、硅改性水接触角进行,获得的数据聚集在图5。根据两组实验数据,很明显,水两种类型的混合膜的接触角均大于原始的膜。此外,它是指出,他们都倾向于增加改性二氧化硅含量的增加。主要原因是二氧化硅粒子的表面由亲水性变为疏水性的硅烷偶联剂。因此,显著地改善了混合膜的疏水性时引入PDMS矩阵。值得注意的是水接触角TSED-SiO的更高的价值₂了PDMS膜按照高疏水性的ts。

图6显示了乙醇在两个混合膜的表面接触角。发现改性二氧化硅含量的增加,乙醇接触角显著减少,然后几乎保持恒定的摘要和ts改性膜,但ts值较低。如上所述,可以得出结论,修改后的二氧化硅的加入可以提高亲和力的PDMS膜对乙醇这有利于优先渗透水。

3.4。渗透蒸发

图7展示了硅的影响加上摘要和ts PDMS混合膜的渗透通量在水溶液40°C包含10 wt %的乙醇。可以看出乙醇两混合膜的通量显著增加,然后下降,而水通量增加然后保持几乎不变,除了那些4 wt %改性二氧化硅含量。结果,总通量都显著增加改性二氧化硅含量的增加,然后几乎保持在一个恒定的水平。根据文献[32,33],nanofillers到聚合物基体的结合可以有效地破坏聚合物的填料段,因此,自由体积增加,因此导致渗透通量的提高。从两个混合膜的总通量,也推断的影响上的硅烷偶联剂和乙醇总通量如下:ts >了。这主要归因于不同的分子的两种硅烷偶联剂,如计划1。由于更大的分子体积ts, TSED-SiO₂拥有更大的分子大小。因此,与谢霆锋二氧化硅改性的效果更显著的破坏链包装和随后的自由体积增加了,导致相应的总通量和乙醇混合膜要高得多。

获得的分离因素聚集在图8。很明显,他们先增加然后减少为两个PDMS混合膜随着改性二氧化硅负载的增加。总之,他们分离因素呈现类似的趋势,最大浓度的4 wt %。如上所述,PDMS链包装可能是中断,因此混合膜的自由体积可能改善由于添加改性二氧化硅粒子。这可能导致增加乙醇的扩散系数是负责观察增加的趋势。值得一提的是,这对ts效果更加显著,作为显示在图4。因此,它可以观察到,ts修改混合膜的分离因素高于混合膜进行了修改。然而,更多的填充纳米粒子可能居住自由体积蛀牙,导致乙醇通量的降低,如图7 (b)。因此,随后的分离因素降低了。

驱动力规范化表演的渗透率和摩尔TSED-SiO的选择性使用相同的光伏性能数据₂了PDMS膜改建在图9。它可以发现乙醇渗透,水渗透性,和摩尔选择性显示相同的趋势与乙醇通量,水通量和分离系数分别。包含4 wt % TSED-SiO的膜₂摩尔选择性增加从1.240到0.7075的纯PDMS膜几乎翻倍,表明一种改进乙醇选择通透性。

4所示。结论

在这项研究中,为了提高乙醇分离性能和改善PDMS矩阵之间的兼容性和nano-fumed二氧化硅粒子,气相法白炭黑是携带两种硅烷偶联剂的比较。改性二氧化硅的影响在混合膜的性能进行了测试。SEM照片表明,二氧化硅纳米粒子在PDMS兼容。根据实验结果,证明了乙醇扩散系数和水接触角显著升高,和混合膜的渗透蒸发性能都显著改善的两种改性二氧化硅纳米颗粒。不过,谢霆锋的影响比进行了由于疏水性以及分子体积。添加TSED-silica 4 wt %时,分离系数的最大值12.09和234.0 g·m的渗透通量⁻²·h⁻¹在水溶液中,在40°C包含10 wt %乙醇。总之,这项工作可能会提供一些参考选择耦合剂改性的填料之前引入聚合物矩阵在应用有机分离的组件通过渗透蒸发水。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者承认金融支持由中国国家自然科学基金(NO.51703120),青年教师的教育科研项目在福建(没有的教育部门。JAT170551 B201726),三明大学引进人才的科学研究基金会(17 yg07),清洁生产技术大学工程研究中心的福建省和矿山生态修复工程技术研究中心的福建省。

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