一种二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的制备方法技术

一种二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的制备方法，它涉及一种渗透汽化膜的制备方法。本发明专利技术的目的是要解决现有渗透蒸发膜分离方法能耗高，分离效率低和对环境造成污染的问题。方法：一、制备生物炭；二、研磨；三、抽提、干燥；四、制备生物炭溶液；五、制备二氧化硅包覆的生物炭；六、制备均匀的混合液Ⅱ；七、制备混合液Ⅲ；八、制备混合溶液Ⅳ；九、浇铸，得到二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜。本发明专利技术制备的二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的分离因子和渗透通量分别达到11.9和226g·h

Method for preparing silicon dioxide coated biological carbon enhanced ethanol selective pervaporation membrane

The invention relates to a method for preparing an ethanol selective pervaporation membrane with silica coated biological carbon, which relates to a preparation method of a pervaporation membrane. The object of the invention is to solve the problems of high energy consumption, low separation efficiency and environmental pollution of the existing pervaporation membrane separation method. Methods: first, the preparation of bio carbon; two, three, and dry grinding; extraction; four, the preparation of bio carbon solution; five, the preparation of bio carbon silica coated mixed liquid; II six, the preparation of uniform; seven, preparation of mixture III; eight, the preparation of mixed solution IV; nine get, casting, silica coated biochar enhanced ethanol selective pervaporation membrane. The silica coated biological carbon prepared by the invention enhances the separation factor and permeation flux of the ethanol selective pervaporation membrane to reach 11.9 and 226g, h, respectively

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的制备方法
本专利技术涉及一种渗透汽化膜的制备方法。
技术介绍
随着人类文明的不断发展，不可再生化石燃料如天然气、煤、石油等慢慢枯竭，人类一直在不断寻找新的能源和代替能源来解决能源危机。世界石油价格不断上涨，环境污染问题愈演愈烈，全球变暖问题日益加剧，开发新的清洁能源已经迫在眉睫。以可再生的生物质为原料，用发酵法制备高纯度的乙醇可以降低能源危机的影响、减少大气污染及减小温室效应而受到广泛关注。发酵法制备乙醇主要存在两个问题：一、料液中乙醇的分离；二、当发酵液中乙醇浓度超过8％时，会对酵母菌生长产生抑制，甚至杀死酵母菌。目前所采用的分离乙醇的方法主要有溶剂萃取发、二氧化碳气提、和蒸馏法等，这些分离方法存在大量能耗和污染。相比以上的分离方法，渗透蒸发膜分离方法能耗低，不会对环境造成污染；同时在分离过程中，不会杀死发酵液中的酵母菌；随着分离过程的不断进行，乙醇不断地被分离出来，使料液中乙醇浓度不会超过8％，使发酵过程可以连续进行，实现连续生产。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有渗透蒸发膜分离方法能耗高，分离效率低和对环境造成污染的问题，而提供一种二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的制备方法。一种二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、制备生物炭：将树皮磨成粉末，再在温度为100℃～105℃下烘干12h～30h，再在氮气气氛和温度为500℃～600℃下高温处理1h～1.5h，得到生物炭；二、将步骤一中得到的生物炭进行研磨，再在温度为100℃～140℃下干燥12h～30h，得到粒径为50nm～60nm的生物炭粉末；三、使用滤纸对粒径为50nm～60nm的生物炭粉末进行包裹，再放置于索氏抽提器中，再采用甲苯为溶剂，在氮气保护下抽提20h～30h，得到抽提后的生物炭粉；将抽提后的生物炭粉在常温下进行干燥，得到干燥的生物炭粉；四、将步骤三中得到的干燥的生物炭粉和十六烷基三甲基溴化铵加入到去离子水中，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌25min～30min，得到生物炭溶液；步骤四中所述的干燥的生物炭粉的质量与去离子水的体积比为(0.5g～2g):400mL；步骤四中所述的十六烷基三甲基溴化铵的质量与去离子水的体积比为(0.5g～2g):400mL；五、将生物炭溶液、浓度为0.01mol/L的氢氧化钠溶液和有机溶剂混合，得到混合液Ⅰ；再使用超声波震荡器对混合溶液Ⅰ超声震荡处理10min～20min，再静置5h～10h，得到反应产物；首先使用蒸馏水对反应产物离心清洗3次～5次，再使用无水乙醇对反应产物离心清洗3次～5次，再在温度为100℃～105℃下干燥18h～24h，得到二氧化硅包覆的生物炭；步骤五中所述的生物炭溶液与浓度为0.01mol/L的氢氧化钠溶液的体积比为1:(4～5)；步骤五中所述的生物炭溶液与有机溶剂的体积比为1:(0.2～0.5)；六、将二氧化硅包覆的生物炭、乙烯基三乙氧基硅烷和正己烷混合，得到混合液Ⅱ；使用超声波震荡器对混合液Ⅱ超声震荡处理20min～40min，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌40min～60min，得到均匀的混合液Ⅱ；步骤六中所述的二氧化硅包覆的生物炭的质量与正己烷的体积比为(0.01g～0.05g):70mL；步骤六中所述的二氧化硅包覆的生物炭与乙烯基三乙氧基硅烷的质量比为1:1；七、将聚二甲基硅氧烷和正己烷混合，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌0.5h～2.5h，得到混合液Ⅲ；步骤七中所述的聚二甲基硅氧烷的质量与正己烷的体积比为(0.8g～1g):70mL；八、将均匀的混合液Ⅱ和混合液Ⅲ混合，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌60min～120min，再加入正硅酸乙酯，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌30min～60min，再加入二月硅酸二丁基锡，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌8min～16min，得到混合溶液Ⅳ；步骤八中所述的正硅酸乙酯与混合液Ⅲ的体积比为1:(1000～1500)；步骤八中所述的二月硅酸二丁基锡与混合液Ⅲ的体积比为1:(5000～10000)；九、将醋酸纤维素微滤膜浸泡在去离子水中1h～3h，取出后擦拭掉醋酸纤维素微滤膜表面的去离子水，再在温度为20℃～25℃和湿度为50％～60％的条件下将混合溶液Ⅳ浇铸在去除表面去离子水的醋酸纤维素微滤膜上，浇注过程中使用刮膜机在去除表面去离子水的醋酸纤维素微滤膜上进行刮膜，然后再将浇注有混合溶液Ⅳ的醋酸纤维素微滤膜放在通风厨中放置6h～8h，再在温度为60℃的烘箱中干燥6h～8h，得到二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜；步骤九中所述的混合溶液Ⅳ与醋酸纤维素微纳滤膜的质量比为(102～105):10。本专利技术的优点：一、本专利技术采用醋酸纤维素支撑层，利用聚二甲基硅氧中硅氧烷的链段柔顺性以及超疏水性作为复合膜的基质，将乙烯基三乙氧基硅烷改性的二氧化硅包覆生物炭加入到基质里，提高复合膜内部的自由体积和对乙醇的吸附性能，制备二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜；二、本专利技术使用二氧化硅包覆生物炭进行改性处理，用于制备二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜，本专利技术制备的二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜用于分离40℃的质量分数为10％的乙醇溶液，分离因子和渗透通量都有了显著提高，分别达到11.9和226g·h-1·m-2。本专利技术可获得一种二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜。附图说明图1为实施例一步骤五中得到的二氧化硅包覆的生物炭的XPS谱图；图2为XRD谱图，图2中1为实施例一步骤三得到的干燥的生物炭粉的XRD曲线，2为实施例一步骤五中得到的二氧化硅包覆的生物炭的XRD曲线，3为实施例一步骤五中得到的二氧化硅包覆的生物炭经过900℃处理10min后的样品的XRD曲线；图3为实施例一步骤三得到的干燥的生物炭粉的SEM图；图4为实施例一步骤九中得到的二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的SEM图；图5为实施例一步骤九中得到的二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的断面SEM图；图6为实施例一步骤九中得到的二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜中醋酸纤维素微滤膜和分离层的SEM图；图7为二氧化硅包覆的生物炭的添加量对二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的渗透性的影响图，图7中1为通量曲线，2为分离因子曲线；图8为二氧化硅包覆的生物炭的添加量对二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的表面与水的接触角影响图；图9为二氧化硅包覆的生物炭的添加量对二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的表面与无水乙醇的接触角影响图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式是一种二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的制备方法，具体是按以下步骤完成的：一、制备生物炭：将树皮磨成粉末，再在温度为100℃～105℃下烘干12h～30h，再在氮气气氛和温度为500℃～600℃下高温处理1h～1.5h，得到生物炭；二、将步骤一中得到的生物炭进行研磨，再在温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的制备方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：一、制备生物炭：将树皮磨成粉末，再在温度为100℃～105℃下烘干12h～30h，再在氮气气氛和温度为500℃～600℃下高温处理1h～1.5h，得到生物炭；二、将步骤一中得到的生物炭进行研磨，再在温度为100℃～140℃下干燥12h～30h，得到粒径为50nm～60nm的生物炭粉末；三、使用滤纸对粒径为50nm～60nm的生物炭粉末进行包裹，再放置于索氏抽提器中，再采用甲苯为溶剂，在氮气保护下抽提20h～30h，得到抽提后的生物炭粉；将抽提后的生物炭粉在常温下进行干燥，得到干燥的生物炭粉；四、将步骤三中得到的干燥的生物炭粉和十六烷基三甲基溴化铵加入到去离子水中，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌25min～30min，得到生物炭溶液；步骤四中所述的干燥的生物炭粉的质量与去离子水的体积比为(0.5g～2g):400mL；步骤四中所述的十六烷基三甲基溴化铵的质量与去离子水的体积比为(0.5g～2g):400mL；五、将生物炭溶液、浓度为0.01mol/L的氢氧化钠溶液和有机溶剂混合，得到混合液Ⅰ；再使用超声波震荡器对混合溶液Ⅰ超声震荡处理10min～20min，再静置5h～10h，得到反应产物；首先使用蒸馏水对反应产物离心清洗3次～5次，再使用无水乙醇对反应产物离心清洗3次～5次，再在温度为100℃～105℃下干燥18h～24h，得到二氧化硅包覆的生物炭；步骤五中所述的生物炭溶液与浓度为0.01mol/L的氢氧化钠溶液的体积比为1:(4～5)；步骤五中所述的生物炭溶液与有机溶剂的体积比为1:(0.2～0.5)；六、将二氧化硅包覆的生物炭、乙烯基三乙氧基硅烷和正己烷混合，得到混合液Ⅱ；使用超声波震荡器对混合液Ⅱ超声震荡处理20min～40min，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌40min～60min，得到均匀的混合液Ⅱ；步骤六中所述的二氧化硅包覆的生物炭的质量与正己烷的体积比为(0.01g～0.05g):70mL；步骤六中所述的二氧化硅包覆的生物炭与乙烯基三乙氧基硅烷的质量比为1:1；七、将聚二甲基硅氧烷和正己烷混合，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌0.5h～2.5h，得到混合液Ⅲ；步骤七中所述的聚二甲基硅氧烷的质量与正己烷的体积比为(0.8g～1g):70mL；八、将均匀的混合液Ⅱ和混合液Ⅲ混合，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌60min～120min，再加入正硅酸乙酯，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌30min～60min，再加入二月硅酸二丁基锡，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌8min～16min，得到混合溶液Ⅳ；步骤八中所述的正硅酸乙酯与混合液Ⅲ的体积比为1:(1000～1500)；步骤八中所述的二月硅酸二丁基锡与混合液Ⅲ的体积比为1:(5000～10000)；九、将醋酸纤维素微滤膜浸泡在去离子水中1h～3h，取出后擦拭掉醋酸纤维素微滤膜表面的去离子水，再在温度为20℃～25℃和湿度为50％～60％的条件下将混合溶液Ⅳ浇铸在去除表面去离子水的醋酸纤维素微滤膜上，浇注过程中使用刮膜机在去除表面去离子水的醋酸纤维素微滤膜上进行刮膜，然后再将浇注有混合溶液Ⅳ的醋酸纤维素微滤膜放在通风厨中放置6h～8h，再在温度为60℃的烘箱中干燥6h～8h，得到二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜；步骤九中所述的混合溶液Ⅳ与醋酸纤维素微纳滤膜的质量比为(102～105):10。...

【技术特征摘要】
1.一种二氧化硅包覆生物炭增强乙醇选择性渗透汽化膜的制备方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：一、制备生物炭：将树皮磨成粉末，再在温度为100℃～105℃下烘干12h～30h，再在氮气气氛和温度为500℃～600℃下高温处理1h～1.5h，得到生物炭；二、将步骤一中得到的生物炭进行研磨，再在温度为100℃～140℃下干燥12h～30h，得到粒径为50nm～60nm的生物炭粉末；三、使用滤纸对粒径为50nm～60nm的生物炭粉末进行包裹，再放置于索氏抽提器中，再采用甲苯为溶剂，在氮气保护下抽提20h～30h，得到抽提后的生物炭粉；将抽提后的生物炭粉在常温下进行干燥，得到干燥的生物炭粉；四、将步骤三中得到的干燥的生物炭粉和十六烷基三甲基溴化铵加入到去离子水中，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌25min～30min，得到生物炭溶液；步骤四中所述的干燥的生物炭粉的质量与去离子水的体积比为(0.5g～2g):400mL；步骤四中所述的十六烷基三甲基溴化铵的质量与去离子水的体积比为(0.5g～2g):400mL；五、将生物炭溶液、浓度为0.01mol/L的氢氧化钠溶液和有机溶剂混合，得到混合液Ⅰ；再使用超声波震荡器对混合溶液Ⅰ超声震荡处理10min～20min，再静置5h～10h，得到反应产物；首先使用蒸馏水对反应产物离心清洗3次～5次，再使用无水乙醇对反应产物离心清洗3次～5次，再在温度为100℃～105℃下干燥18h～24h，得到二氧化硅包覆的生物炭；步骤五中所述的生物炭溶液与浓度为0.01mol/L的氢氧化钠溶液的体积比为1:(4～5)；步骤五中所述的生物炭溶液与有机溶剂的体积比为1:(0.2～0.5)；六、将二氧化硅包覆的生物炭、乙烯基三乙氧基硅烷和正己烷混合，得到混合液Ⅱ；使用超声波震荡器对混合液Ⅱ超声震荡处理20min～40min，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌40min～60min，得到均匀的混合液Ⅱ；步骤六中所述的二氧化硅包覆的生物炭的质量与正己烷的体积比为(0.01g～0.05g):70mL；步骤六中所述的二氧化硅包覆的生物炭与乙烯基三乙氧基硅烷的质量比为1:1；七、将聚二甲基硅氧烷和正己烷混合，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌0.5h～2.5h，得到混合液Ⅲ；步骤七中所述的聚二甲基硅氧烷的质量与正己烷的体积比为(0.8g～1g):70mL；八、将均匀的混合液Ⅱ和混合液Ⅲ混合，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌60min～120min，再加入正硅酸乙酯，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌30min～60min，再加入二月硅酸二丁基锡，再在搅拌速度为180r/min～200r/min下磁力搅拌8m...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟宏，兰永强，颜宁，
申请(专利权)人：东北林业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23