响应面优化制膜条件应用 响应面优化制膜条件应用 响应面优化制膜条件应用 精品源自化学科
1前言 2实验部分
2.1仪器与试剂硅橡胶(PDMS,RTV615型,GE),北京震坤行贸易有限公司。该硅橡胶由A组分(主要成分为高分子量的端乙烯基聚二甲基硅氧烷)和B组分(主要成分为交联剂含氢硅油与催化剂)组成。
正庚烷,分析纯,北京化工厂。PVDF多孔底膜,实验室自制。
2.3渗透汽化性能评测膜的渗透汽化性能评测采用实验室自制装置,装置图参见文献[21]。所有膜的渗透汽化性能评测均在料液浓度约10%(wt)、料液温度40℃、压力约300Pa的条件下进行,有效膜面积为22cm2。
料液浓度以及渗透侧乙醇浓度由气相色谱测量(GC-14C,岛津,日本)。装置运行稳定后,对膜的分离因子和总渗透通量进行测定,其表达式如式
(1)、式
(2)所示。计算得到膜的乙醇、水通量表达式如式
(3)、式
(4)所示。 3结果与讨论 3.2几种因素对膜性能的影响 3.2.2硅橡胶浓度与B/A比例对响应变量的影响从图3可以看出,当硅橡胶浓度较低时,分离因子总体水平较低,总渗透通量较大,且二者随着B/A比例的增加而增加;当硅橡胶浓度较高时,分离因子总体水平较高,总渗透通量较小,且二者随着B/A比例的增加而下降。
可能原因是,在硅橡胶浓度不同时,体系中发生的硅氢键与乙烯基的加成与硅氢键的水解缩合两种化学反应对交联网络的影响不同。硅氢键与乙烯基的加成反应速率比硅氢键的水解缩合反应快[23],因此前者构成了交联网络的主体结构,而B/A比例的变化主要对硅氢键水解缩合副反应有影响。
当硅橡胶浓度较低时,硅氢键水解缩合副反应不能与主体结构形成三维网络,而是以大量的线性分子链或网络碎片的形式存在[23],起到增大自由体积孔穴半径的作用。因此,乙醇和水的通量及总渗透通量随B/A比例的增加而显着上升(如图3(b)、图4所示),这一现象与Liang等[24]的实验结果一致。
体积较大的乙醇分子通量上升快,所以低浓度时分离因子随B/A比例的增加而增大。硅橡胶浓度较高时,有利于硅氢键水解缩合副反应与主体结构形成有效的三维网络,减小了膜内的自由体积孔穴半径,同时降低了膜内的自由体积孔穴之间的连通性。
因此,乙醇和水的通量随着B/A比例的增加而下降(如图4所示),总渗透通量也随之降低(如图3(b)所示)。由于体积较大的乙醇分子通量下降快,所以高浓度时分离因子也随着B/A比例的增加而减小。
3.3模型的实验验证根据数据拟合的结果进行验证实验,结果见表5。从表中可以看出,分离因子与渗透通量计算值与实验值之间的误差分别为?3.11%~3.96%、?5.84%~4.93%,表明回归方程对乙烯基封端的PDMS/PVDF膜的渗透汽化透醇性能的估算具有一定的精度。
4结论本文用星点设计-响应面优化法研究了制膜条件对PDMS/PVDF透醇膜性能的影响,拟合了分离因子、渗透通量关于制膜条件的回归方程,并经实验验证精度良好。通过对回归方程的方差分析发现,交联温度对乙醇、水的渗透通量的影响较小,而交联时间对分离因子几乎没有影响。
同时,通过对回归方程的优化可知,在料液乙醇浓度为10%(wt),操作温度40℃条件下,当硅橡胶浓度为93%(wt)、B/A质量比为0.0
8、交联温度为100℃、交联时间为13.83h时,膜的综合分离性能达到最佳,此时分离因子与渗透通量估计值分别为9.
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7、77.57g?(m2?h)?1,渗透侧乙醇浓度达到51.3%(wt)。
