硅橡胶膜中的溶胀行为及分配系数.docxVIP

文章编号 :1007 - 8924 (2004) 文章编号 :1007 - 8924 (2004) 02 - 0030 - 06 硅橡胶膜中的溶胀行为及分配系数 王洪军1 ,2 刘家祺1 3 马敬环1 煦1 韩 (1 . 天津大学化工学院绿色合成与转化教育部重点实验室 , 天津 300072 ; 2 . 长春工业大学化工学院 , 长春 130012) 摘 要 : 采用自制的硅橡胶 ( PDM S) 膜 ,研究了两组分混合溶剂在硅橡胶膜中的溶胀行为及分 配系数. 比较了溶胀率的实验值和理论值 ,考查了溶胀液平衡浓度与硅橡胶膜的溶胀率和分配 系数的关系 ,以及溶胀液平衡温度与分配系数的关系. 关键词 : 硅橡胶膜 ; 溶胀 ; 分配系数 中图分类号 : TQ028 . 8 ; TQ334 . 2 文献标识码 : A 硅橡胶作为一种分离小分子物质的膜材料 ,得 到广泛的研究和开发 . 特别在分离水溶液中挥发性 有机物 ( volatile o rganic co mpo unds , VOCs) 方 面 , 采 用渗透蒸发膜分离方法具有明显的技术优势 . 渗透 蒸发过程中 ,在膜的上游侧 ,进料液体和分离膜直接 接触 ,在膜的下游侧 ,通过抽真空等方法保持一低的 待分离组分的分压 ,以分离组分的分压差为推动力 , 靠不同组分在膜中的溶解 、扩散性质的差异实现传 质分离. 据此而提出的溶解 、扩散模型是目前被广泛 认可的一种渗透蒸发机理模型. 该模型认为 ,聚合物 膜的渗透蒸发分离过程分 3 步完成 : (1) 待分离组分 吸附溶解到膜的上游侧表面并使膜溶胀 ; (2) 组分在 浓度梯度的作用下扩散通过膜 ; (3) 透过组分在真空 侧解吸. 由于透过侧汽化室的高真空度 ,第 ( 3) 步不 构成传质阻力 , 这在 N guyen 等1 的研究中已得到 验证. 因而溶解扩散模型最终归结到对渗透物分子 在膜中的溶解过程和扩散过程的描述 . 溶解过程和扩散过程不仅取决于聚合物膜的性 质和状态 ,还和渗透物分子的性质 、种类以及两组分 和聚合物膜三者之间的相互作用密切相关 . 而膜的 溶胀行为体现了渗透物分子 、水和聚合物膜三者之间 的相互作用. 可见 ,研究膜的溶胀行为具有重要意义. 本文通过硅橡胶膜溶胀实验 ,运用统计热力学 方法 ,研究了聚合物膜的溶胀行为 ,建立并推导了溶 胀平衡热力学方程 、溶胀液平衡浓度与硅橡胶膜的 溶胀率以及与分配系数的关系 ,同时研究了溶胀液 平衡温度与分配系数的关系. 1 溶胀热力学理论 Flo ry 和 Huggins2 ～4 于 1942 年分别独立借助 于似晶格模型 ,运用统计热力学的方法推导出聚合 物溶液的混合熵 、混合热和混合自由能热力学性质 表达式. 在推导中作了如下基本假定 : ( 1) 溶液中聚 合物分子的排列也和晶体一样 ,是一种晶格排列 ,即 服从似晶格模型 ; ( 2) 聚合物链是柔性的 ,所有的排 列方式具有相同的能量 ; (3) 聚合物的链节是均匀分 布的 ,链节点占有任何一个晶格的几率相等. 聚合物 膜的溶胀行为是将聚合物膜放入溶液中 ,小分子溶剂 扩散渗入聚合物分子链内部 ,使聚合物体积膨胀的现 象. 我们根据 Flory 和 Huggins 理论推导出了聚合物 膜在溶胀液 (由小分子 1 代表有机物 ,小分子 2 代表 水 ,3 代表聚合物膜) 中达到溶胀平衡的热力学方程. 1 . 1 溶胀过程的混合熵 首先是计算由 N 1 个小分子 1 和 N 2 个小分子 2 组成的溶胀液 ,与聚合物膜试样 3 在格子上混合 后可能采取的不同排列方式的数目 . 聚合物模试样 3 看作是一个高分子 ,每个小分子 1 或 2 分别占有 一 个 晶 格 , 而 高 分 子 由 r 个 链 段 所 组 成 , 每 个 链 段 收稿日期 : 2002 - 09 - 28 ; 修收稿收到日期 : 2003 - 01 - 03 作者简介 : 王洪军 (1969 - ) , 男 , 长春市人 , 博士研究生 . 3 联系人 第 2 期王洪军等 : 硅橡胶膜中的溶胀行为及分配系数·31 ·占有一个格子 . 系统共有 N = N 1 + N 2 + r 个格子 ,整个溶胀体的填充排列方式 Ω 为 :1 . 3 溶胀平衡热力学溶胀过程的混合自由焓Δ Gmix为 :Δ Gmix =Δ Hmix - TΔS mix( z - 1) 第 2 期 王洪军等 : 硅橡胶膜中的溶胀行为及分配系数 ·31 · 占有一个格子 . 系统共有 N = N 1 + N 2 + r 个格子 , 整个溶胀体的填充排列方式 Ω 为 : 1 . 3 溶胀平衡热力学 溶胀过程的混合自由焓Δ Gmix