白炭黑填充PDMS/PVDF复合膜的纳滤分离性能及传质特性

蔡卫滨，夏阳，王玉军，李继定，朱慎林



白炭黑填充PDMS/PVDF复合膜的纳滤分离性能及传质特性

蔡卫滨，夏阳，王玉军，李继定，朱慎林

（清华大学化学工程系，化学工程联合国家重点实验室，北京100084）

将纳米级白炭黑填充于PDMS制备了白炭黑填充PDMS/PVDF复合膜，采用红外（FT-IR）、热失重（TGA）和接触角（CA）等方法对填充复合膜进行了分析和表征，并采用纳滤的方法系统研究了复合膜对大豆油/己烷混合油的分离性能。结果表明，白炭黑填充能有效促进PDMS的交联，提高PDMS的疏水性、热失重温度以及对溶剂的稳定性；白炭黑填充量增加使复合膜渗透通量降低，但截留率从96%提高到98%；随溶液浓度增加，渗透通量和截留率同时降低；随温度的升高，渗透通量上升，截留率降低。大豆油和己烷在膜中的传质特性可用不完全的溶解-扩散模型描述，溶液渗透压实验值与计算值符合较好。

纳滤；膜；传质；溶剂回收；白炭黑；PDMS

引 言

膜分离技术是一项快速发展的新型分离技术，具有高效、环保、节能等诸多优势，已广泛应用于化工、环保、制药、食品、生物燃料等领域，取得了较好的经济效益[1-2]。在油脂加工行业，膜分离技术同样吸引了众多研究者，并在脱胶、脱酸、脱色、磷脂和大豆蛋白制备以及浸取溶剂回收等方面展开了较多研究[3-4]。溶剂浸出法是当前油脂加工的主要工艺，通常以己烷为溶剂，在浸出器内从浸取油料，得到己烷和油脂的混合油。混合油经预处理后，采用蒸发工艺回收溶剂，同时得到油脂，这是油脂浸取工艺中最耗能的工段之一。若用没有汽化的膜过程来代替，能耗可望显著降低。迄今，研究者已采用超滤、纳滤和反渗透等工艺进行研究，从分离效果看，上述研究中所用膜的分离性能普遍有限[5-8]。主要原因在于所用膜都是商业化膜，大多为亲水膜，对己烷的亲和性很差的缘故。随着膜材料的发展，近几年，有学者开始采用疏水性的PDMS为分离层制备复合膜回收己烷[9-13]。PDMS对己烷亲和性较强，且非常柔软，链段之间的作用力较小，黏度很低，表面张力小，这些都有利于在硅橡胶内部形成一个连续不停运动着的通道，促进小分子在膜内的传质[14]。与早期研究相比，PDMS复合膜无论是通量还是截留率都有明显提高。但也正由于PDMS分子链间的作用力很弱，对己烷亲和性较强，使其在己烷中溶胀严重，长期稳定性大大降低。用于从混合油中回收己烷时，仅在短期内能保持较好的稳定性，随后即通量上升，截留率降低，分离性能下降，这使其无法工业应用。

在橡胶等高分子聚合物工业中，常采用白炭黑、炭黑、纳米碳酸钙、二氧化钛、有机蒙脱土、改性超细矿物粉、短纤维、沸石、碳纳米管等无机颗粒进行填充，一方面可以增进高分子链间的作用，从而对高分子聚合物进行补强，并改善物理和力学性能，另一方面还可以降低生产成本。主要基于前一个原因的考虑，本文采用疏水修饰的纳米级白炭黑对PDMS进行填充，制备了具有较强稳定性的白炭黑填充PDMS复合膜，并系统研究了复合膜对己烷/大豆油混合油的纳滤分离性能。在此基础上，结合溶解-扩散模型以及不完全的溶解-扩散模型，对纳滤过程中己烷和大豆油在膜中的传质特性进行了初步探讨，期望通过本工作，为溶剂回收纳滤膜的开发，以及纳滤膜中溶剂和溶质的传质行为的研究提供借鉴。

1 实验材料和方法

1.1 材料

PDMS，107型，黏度为50000 mPa·s，北京化工二厂；正硅酸乙酯，分析纯，北京化学试剂公司；二月桂酸二丁基锡(DBTL)，分析纯，北京益利精细化学品有限公司；白炭黑，DNS-2，北京中博纳科技有限公司；PVDF，1015，Solvay Chemicals；正己烷和正庚烷，分析纯，北京现代东方精细化学品有限公司；磷酸三乙酯(TEP)，化学纯，国药集团化学试剂有限公司；大豆油，食品级，秦皇岛金海食品工业有限公司。

实验所用DNS-2为单层有机链修饰的疏水性白炭黑，主要参数如表1所示。

表1 白炭黑DNS-2主要参数

1.2 复合膜的制备

PVDF超滤膜的制备：将一定量的聚偏氟乙烯溶解在磷酸乙酯中，过滤后采用浸没沉淀相转化法在无纺布上刮制得到PVDF超滤底膜。底膜厚度45～50 μm，纯水通量150 kg·m-2·h-1，γ-球蛋白溶液（相对分子质量150000）截留率96%。

PDMS均质膜和复合膜的制备：称取一定量的PDMS与正庚烷配制成浓度为25%（质量分数）的溶液，磁力搅拌1 h使其溶解均匀后，加入一定质量的白炭黑（加入量为PDMS的0～15%），室温磁力搅拌2 h，超声处理30 min，再次搅拌3 h，使白炭黑与铸膜液混合均匀。随后依次加入一定量的交联剂TEOS和催化剂DBTL，继续搅拌均匀，等铸膜液黏度显著增大后，静置脱泡，在PVDF底膜和四氟乙烯板上分别刮膜得到复合膜和均质膜。待溶剂挥发12 h后，将该膜置于100℃烘箱中进一步交联10 h，即得到具有致密皮层的白炭黑填充PDMS/PVDF复合膜和PDMS均质膜。

1.3 膜分离性能评测

实验装置如图1所示。待测膜固定在膜室中，下游侧采用不锈钢烧结滤芯支撑，有效膜面积为2.12×10-3m2。料液罐中料液经隔膜计量泵送入膜室，通过膜室出口的背压阀调节压力。在压力驱动下，渗透液通过待测膜从下游侧渗出。为降低计量泵脉冲给料液带来的压力和流量冲击，管路上加装了阻尼缓冲器。采用恒温控制器将料液控制在设定的温度。装置的最高运行压力为2.6 MPa。

图1 膜分离性能评测装置

1—bumper; 2—electric thermometer; 3—membrane unit; 4—pressure gauge; 5—counterbalance valve; 6—feed tank; 7—plunger pump

膜的分离性能采用通量和截留率两个指标进行评价，其定义式为

(2)

式中，为透过液通量，kg·m-2·h-1；为截留率，%；为透过液的质量，kg；为膜面积，m2；为透过时间，h；f为原料液中油的质量浓度；p为渗透液中油的质量浓度。

己烷和大豆油的渗透通量为渗透液通量与渗透液中各自浓度的乘积，即

(4)

式中，hexane为己烷渗透通量，kg·m-2·h-1；oil为大豆油渗透通量，kg·m-2·h-1。

大豆油质量浓度采用安东帕Abbemat WR折光仪测试，标准曲线可见文献[11]。

1.4 膜结构表征

复合膜红外分析（FT-IR）采用美国Nicolet公司IR560型傅里叶转换红外光谱仪；表面和断面形态采用英国JSM-6301F场发射扫描电子显微镜分析（SEM）；热失重（TGA）采用TA Instruments 公司生产的Q-500型热分析仪进行测定，N2保护，升温速率10℃·min-1, 升温范围为室温～800℃；接触角（CA）采用德国DataPhysics公司的OCA20视频光学接触角测量仪在室温下测定，以去离子水为测试液体，液滴体积为3 μl。

2 实验结果与讨论

2.1 白炭黑填充PDMS/PVDF复合膜的表征

2.1.1 白炭黑填充PDMS/PVDF复合膜的FT-IR表征

图2为不同白炭黑填充量PDMS复合膜的红外谱图，为便于对比，同时给出了未交联PDMS的红外谱图。图中2960 cm-1为CH3的CH非对称伸缩振动峰，1405 cm-1和1258 cm-1处为SiCH3的特征吸收峰，1160～1000 cm-1区域为端羟基SiOH伸缩振动峰，862 cm-1为SiOH的伸缩振动峰[15]。未交联PDMS在1160～1000 cm-1区域吸收峰很强，交联后，此区域吸收峰明显减弱，表明硅羟基减少，发生了交联反应；白炭黑填充后，吸收峰进一步减弱，硅羟基进一步减少，说明白炭黑促进了PDMS的交联。当填充量升到5%以后，1160～1000 cm-1区域吸收峰的强度变化不大，说明此后白炭黑填充量的增加对交联的促进作用已趋饱和。

图2 不同白炭黑填充量PDMS复合膜的红外光谱图

2.1.2 不同白炭黑填充量复合膜的微观形貌分析

将不同白炭黑填充量的PDMS/PVDF复合膜在液氮中淬断，形成断面。将断面和复合膜表面镀金后，用扫描电镜分析，结果如图3所示。在白炭黑填充量较低（5%）的时候，复合膜表面比较均匀，未见明显的白炭黑颗粒；当白炭黑填充量增加到10%的时候，复合膜表面白炭黑颗粒增多，但还比较均匀；当白炭黑填充量增加到15%时，复合膜表面可见大量白炭黑颗粒，并且明显团聚，此时复合膜可能产生由团聚造成的缺陷。从图3 (d)可以看出，复合膜分离层比较均匀，所用PVDF底膜为海绵状。

图3 白炭黑填充PDMS复合膜的SEM图

2.1.3 白炭黑与白炭黑填充膜的热失重分析

白炭黑的热失重图如图4所示，在100℃以内有约3%的失重，这是白炭黑吸附的水分蒸发所致；在400～600℃区间约有12%的失重，这是以共价键结合在白炭黑表面的有机物分解所致[16]。

图4 白炭黑的热失重图

图5为PDMS均质膜与3%白炭黑填充PDMS均质膜的热失重对比。可以看出，PDMS均质膜在350℃左右即开始明显失重，而填充白炭黑以后，虽然填充量很少，但发生明显失重的温度提高了100℃以上，热稳定性大大增强。

图5 PDMS膜与白炭黑填充PDMS膜热失重对比

2.1.4 接触角分析

PDMS膜在填充白炭黑前后接触角的变化如表2所示，PDMS复合膜的接触角为115.9°，填充白炭黑以后，接触角增大，且随填充量的增加而增大。这是由两方面的原因共同造成的，一方面，实验所用DNS-2为具有强疏水性的白炭黑，制膜后有部分存留于膜表面；另一方面，根据红外分析结果，白炭黑填充能促进PDMS的交联，使PDMS的硅羟基减少，也即减少了PDMS膜的亲水基团，这两个因素的共同作用使得填充PDMS膜的疏水性增强，且随填充量增加而增大。当白炭黑增加到15%时，接触角显著增大，一个原因是过高的填充量使得白炭黑团聚严重，表面存在大量白炭黑团聚体的缘故。

表2 不同DNS-2填充量PDMS复合膜的接触角

2.2 白炭黑填充PDMS/PVDF复合膜的分离性能

2.2.1 白炭黑填充对复合膜分离性能的影响

图6为白炭黑填充对复合膜分离性能的影响，其中复合膜分离层厚度（20±2）μm，白炭黑的填充量为0～15%，进料液大豆油质量分数为26%，实验温度25℃。可以看出，随着白炭黑填充量由0增大至10%，复合膜渗透通量迅速下降。在压力为2.4 MPa时，通量由12.7 kg·m-2·h-1下降到2.2 kg·m-2·h-1；当填充量增大至15%时，通量反而有所上升。填充量对大豆油截留率的影响规律类似，随填充量的增加，截留率提高，当填充量增至5%时截留率达到最大值98%，此时渗透液中大豆油含量仅0.5%；当填充量进一步增加时，截留率反而下降。这是由于，随白炭黑填充量的增加，PDMS的交联度增加，一方面，复合膜的溶胀降低，己烷和大豆油在膜中的浓度降低，传质推动力减小；另一方面，PDMS分离层变得更为致密，传质阻力大大增加，这两方面因素的综合使得渗透通量大幅下降。另外，填充白炭黑后，复合膜疏水性增大，同时PDMS分离层更加致密，使得体积较大的大豆油分子渗透更加困难，这都不利于大豆油的溶解和扩散，因此截留率增加。当填充量过多时，由SEM图可看出，由于白炭黑分散不佳，团聚严重，导致复合膜产生局部缺陷，因此通量上升，截留率下降。

图6 白炭黑填充量和操作压力对复合膜分离性能的影响

综合渗透通量和截留率，以白炭黑填充量为5%时制得的复合膜分离性能较好。考虑到适当高的白炭黑填充量能降低膜的溶胀，从而进一步提升复合膜的稳定性，白炭黑填充量以10%左右为佳。

从图6中还可以看出，随压力增加，无论填充白炭黑与否，复合膜的通量基本都线性增加；截留率初始增加较快，随后增加幅度减缓。

对纳滤和反渗透过程，根据改进的溶解-扩散模型[17]，溶剂和溶质的通量分别为

(6)

式中，J和J分别为溶剂和溶质的通量；为溶剂的渗透系数；称为溶质渗透系数，cf、cp分别是料液和渗透液中组分的摩尔分数。从式(5)可以看出，溶剂的渗透通量与膜两侧的压差呈线性关系，而溶质的通量则与压差无关。在渗透液中大豆油浓度变化不大的情况下，渗透液的渗透压变化不大，根据式(5)，己烷通量与压力基本呈线性。由于大豆油的渗透通量很低，总渗透通量主要由己烷通量决定，因此总渗透通量与压力基本呈线性。对于大豆油通量，根据式(6)，仅与膜上下游的大豆油浓度有关，而与压力无关。当压力增加时，大豆油通量基本不变，而己烷通量线性增加，因此截留率上升，这与实验结果大致相符。

2.2.2 进料液浓度对复合膜分离性能的影响

以膜法回收大豆油时，随着溶剂的透过，大豆油被不断浓缩，浓度越来越高。在技术和经济上考虑，通过纳滤将大豆油含量提高到50%左右较为适宜[8]。由于浓度对纳滤的影响较大，为全面考察白炭黑填充膜的分离性能，本文在较大范围内进行了测试，结果如图7所示，实验所用复合膜的白炭黑填充量为5%，实验温度25℃。可以看出，在进料液浓度较低时，渗透通量较大，对大豆油的截留率也很高，最高达到98.6%；随着料液浓度的增加，渗透通量下降，截留率也同时下降。当进料液含量达到48%时，通量大大下降，截留率也下降到92.6%～95.5%。需要指出的是，即使是在此浓度下，当运行压力高于2.2 MPa时，渗透液大豆油含量都小于2.3%，低于浸取溶剂回用标准3%，可直接回用于浸取。与此对比，同等条件下，未填充白炭黑的PDMS/PVDF复合膜截留率仅在64.7%～80.0%之间[11]，这充分表明白炭黑填充有效提升了复合膜的截留率。

图7 料液浓度对复合膜分离性能的影响

2.2.3 温度对复合膜分离性能的影响

采用白炭黑填充量为5%的复合膜，以大豆油浓度为26%的混合油为进料液，考察了运行温度对复合膜通量和截留率的影响，结果如图8所示。随操作温度的升高，渗透通量明显增加。在运行压力为2.5 MPa时，40℃时的渗透通量比10℃时增加近35%。原因在于，随温度升高，一方面，己烷和大豆油的黏度都随之下降；另一方面，PDMS的自由体积增加，渗透通道增大，两方面都使己烷和大豆油的扩散阻力下降，因此渗透通量增加。温度对截留率的影响也同样明显，随温度升高，截留率明显下降。2.5 MPa时，在10、25、40℃温度下的截留率分别为98.3%、98.0%和97.0%。这是由于温度升高使PDMS渗透通道变得顺畅，大豆油更易通过的缘故。这与反渗透在水溶液体系的分离规律一致，Scarpello等[18]研究有机溶液中催化剂的纳滤回收，也有相似的规律。

图8 运行温度对复合膜分离性能的影响

2.3 白炭黑填充PDMS/PVDF复合膜的渗透特性分析

2.3.1 溶剂的渗透特性

由式(5)可知，溶剂的渗透通量跟压力与渗透压之差（ΔΔ）呈正比，两者比例即为溶剂的渗透系数。以压力为横坐标，将不同进料液浓度和不同操作温度下溶剂的渗透通量对压力作图，结果如图9、图10所示。可以看出，己烷的渗透通量与进料压力具有较好的线性关系。将直线延伸至轴所得的截距，即为渗透压的实验值Δexp。

图9 不同进料液浓度下操作压力对己烷渗透通量的影响

图10 不同操作温度下操作压力对己烷渗透通量的影响

对反渗透和纳滤过程来说，膜两侧溶液的压差可由van’t Hoff方程计算，如式(7)所示

式中，Δ为膜两侧溶液的浓度差，w为溶质的分子量。己烷的相对分子质量为86，大豆油是甘油三酯的混合物，平均相对分子质量约为880。

van’t Hoff方程是针对稀薄溶液而言，本文研究溶液浓度范围较大，当浓度较高时，采用式（7）所得结果偏差较大。为此，采用van’t Hoff方程简化前的渗透压方程进行计算

式中，c为溶剂的摩尔分数，m,A为溶剂的摩尔体积。25℃时，本文所用己烷的摩尔体积为1.28×10-4m3·mol-1。

根据图9和式(8)，不同进料液浓度下，渗透压差的实验值Δexp和计算值Δcal可见表3。在进料液浓度较低时，实验值和计算值比较接近，符合较好，随进料液浓度的增加，偏差有所加大。其中的一个原因在于，式(8)是基于理想溶液，而对一般溶液来说，浓度较低时，溶液接近理想溶液；随溶液浓度增加，溶液的非理想性增加，因此偏差加大。

表3 不同进料液浓度下渗透压差实验值和计算值对比

操作温度对己烷通量的影响较大，温度越高，直线斜率也就是己烷的渗透系数越大，己烷通量也越大，如图10所示。同时还可看出，不同温度下己烷渗透通量直线存在交叉点，这是由于温度对渗透压和渗透通量的综合作用所致。一方面，由式(8)可见，渗透压跟温度呈正比。当温度较低时，渗透压低，溶液产生通量所需的起点压力低，也就是直线在轴上的截距较小；反之，温度较高时，溶液产生通量所需的起点压力高，直线在轴上的截距大。另一方面，随温度的升高，由于在膜中扩散阻力的下降，己烷渗透系数（也就是直线的斜率）升高，也就是温度高时通量随压力增加更快，因此，不同温度下的直线存在交点。

表4为不同操作温度下渗透压差的实验值Δexp和计算值Δcal，两者较接近，且都随温度而升高。

表4 不同操作温度下渗透压差实验值和计算值对比

2.3.2 溶质的渗透特性

由式(5)、式(6)可以看出，溶质的渗透通量仅取决于上下游溶液的浓度差，当渗透液溶质浓度较小时，溶质的渗透通量基本不随压力而变化，而溶剂的渗透通量却随压力线性增长，在这种情况下，随压力增加，截留率应不断增加并趋向100%。但根据图6～图8，当压力较高时，截留率仅趋向于一个小于100%的值。这表明，溶解-扩散模型中溶质渗透通量与实际情况不符。为此，对溶质的渗透特性进行进一步分析。图11为不同进料液浓度时大豆油通量随操作压力的变化，其中点为实验值。从图中可以看出，在不同的浓度下，大豆油渗透通量基本都随压力线性增长，这与溶解-扩散模型明显不符。

溶解-扩散模型是基于无缺陷的“完美的膜”而建立，没有考虑膜材料以及膜结构等因素对分离性能的影响，因此存在一定的局限性。为此，Sherwood等[19]考虑了膜表面存在缺陷的情况，提出了不完全的溶解-扩散模型。他们认为，实际的膜存在一定的缺陷，也即微孔，溶质和溶剂通过膜的渗透，既有在膜中的扩散，又有通过微孔的主体流动。根据这个假设，溶剂和溶质的通量可分别表述为式(9)和式(10)

(10)

式中，P/l为溶剂的渗透系数，P/l为溶质的渗透系数，P/l为孔流动的渗透系数。

将不同大豆油浓度下的实验数据应用于式(10)，得到的结果如图11中直线所示。可以看出，在8%、16% 和26%浓度下，实验点和计算值较为接近，说明与溶解-扩散模型相比，不完全的溶解-扩散模型确实更符合实际情况，可以更好地描述纳滤过程中的传质行为。对48%浓度的料液，实验点和数据点偏差较大，这可能是由以下因素造成的：第一，己烷/大豆油混合油对PDMS的溶胀较大，当溶液浓度变化较大时，两组分在其中的浓度变化亦较大，当这种变化非线性时，用线性方程去模拟，自然效果不佳；第二，无论是溶解-扩散模型还是不完全的溶解-扩散模型，都假设溶质和溶剂之间没有作用力，忽略了它们之间的相互作用，但实际上，从己烷和大豆油的溶解度参数看[20]，两者存在较强的色散力，也就是己烷能促进大豆油的渗透。在一定范围内，当这两种因素的作用变化不大时，可以得到较好的结果；但超出此范围、两种因素作用变化较大时，就会产生较大的偏差。

图11 不同进料液浓度下操作压力对大豆油渗透通量的影响

以进料液浓度为16%为例，可以进一步考察大豆油通量中扩散和孔流部分的贡献比例，结果如图12所示。扩散部分贡献的大豆油通量比较稳定，随压力增加仅有微小的增加，这是由于随压力增加，渗透液中大豆油浓度仅有少量降低，根据式(10)，此部分通量增加很小。对孔流部分贡献的大豆油通量，随压力的增加，此部分通量线性增长，这与式(10)相符。

图12 大豆油通量中溶解-扩散和孔流各自影响的通量随压力的变化

由于孔流部分的通量相比己烷通量非常小，因此，本文不再结合孔流对己烷通量进行探讨。

纳滤和反渗透过程中的传质是一个非常复杂的过程，涉及到膜形态、膜结构、膜材料与溶剂和溶质分子的作用、溶剂和溶质分子之间的作用等诸多因素。在这种复杂多变情况下，基于不同的假设和看法，学者们提出了多种不同的膜分离过程的机理，并由此建立了相应的模型。由于出发点不同，这些模型通常只适用于一些特定条件下的膜过程，具有局限性。本文从溶解-扩散的观点出发，对己烷和大豆油在纳滤膜中的传质行为进行了初步探讨，期望能为纳滤和反渗透过程的理论研究提供参考。

2.4 白炭黑填充复合膜的稳定性研究

为研究白炭黑填充对复合膜稳定性的影响，考察了复合膜在长时间运行中分离性能的变化。实验采用白炭黑填充量为10%的PDMS/PVDF复合膜，进行每天运行12 h的连续测试，进料液中大豆油含量为26%，实验压力1.8 MPa，温度25℃。结果如图13所示。对PDMS复合膜来说，运行前期分离性能比较稳定，通量和截留率基本不变，但一般从第5、第6天开始，分离性能衰减，通量上升，而截留率降低；而对白炭黑填充的复合膜，经过13 d的连续运行，分离性能一直保持稳定，表明白炭黑填充有效地提高了PDMS复合膜的稳定性。

图13 白炭黑填充对复合膜的长期稳定性

3 结 论

（1）白炭黑填充能有效促进PDMS的交联，提高PDMS的热稳定性和疏水性。

（2）随白炭黑填充量的增加，PDMS交联度提高，复合膜渗透通量下降，截留率提高。但当白炭黑填充量超过10%时，由于团聚而产生膜缺陷，通量反而上升而截留率下降。

（3）浓度和温度对复合膜分离性能影响较大。随着大豆油浓度的提高，渗透通量和截留率都有较大幅度的下降；运行温度对分离性能影响较大，随温度升高，渗透通量增加，截留率略有下降。

（4）大豆油/己烷混合油的渗透压可用渗透压公式计算，在低浓度时符合较好。己烷的渗透通量跟压差与渗透压差的差值呈正比，大豆油的渗透通量与进料压力呈线性关系，可用不完全的溶解-扩散模型描述。

（5）白炭黑填充能有效促进PDMS复合膜对混合油的稳定性。PDMS复合膜分离性能仅能维持5 d左右，而白炭黑填充PDMS复合膜性能稳定，经长时间运行分离性能保持不变。

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[20] Sun Benhui (孙本惠). The measure and calculation of solubility parameters [J].(特种橡胶制品), 1983, 4: 47-59.

Nanofiltration performance and mass transfer characteristics of PDMS/PVDF composite membranes filled with white carbon black

CAI Weibin, XIA Yang, WANG Yujun, LI Jiding, ZHU Shenlin

(State Key Laboratory of Chemical Engineering, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Nano white carbon black particles filled PDMS/PVDF composite membranes were prepared, and FT-IR, TGA and contact angle were used to characterize the physical and chemical characteristics of the composite membranes. By using soybean/hexane miscellas, the separation performance of the composite membranes was systematically investigated. The results indicated that by filling white carbon black to PDMS, the crosslinking density was promoted, and the hydrophobicity, thermal stability and solvent resistance were improved. The permeate flux was declined with increasing filling content of white carbon black, while the oil retention was risen from 96% to 98%. With the increase of oil concentration, both of the permeate flux and oil retention were declined. With increasing feed temperature, the permeate flux was risen while the oil retention was declined. Mass transfer characteristics of soybean oil and hexane through the membrane can be described by the solution-diffusion with imperfections model, and the experimental values of the micelle osmotic pressure were well in accordance with calculated values.

nanofiltration; membrane; mass transfer; solvent recovery; white carbon black; PDMS

2014-11-12.

supported by the National Natural Science Foundation of China (21176135), the Science Foundation of Tsinghua University (20131089399) and the Special Funds for Technological Development Research of Research Institutes from National Ministry of Science and Technology (2013EG111129).

Prof. LI Jiding, lijiding@mail. tsinghua.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141691

TQ 028.8

A

0438—1157（2015）07—2555—10

国家自然科学基金项目（21176135）；清华大学科学基金项目（20131089399）；国家科技部科研院所技术开发研究专项资金项目(2013EG111129)。

2014-11-12收到初稿，2015-04-02收到修改稿。

联系人：李继定。第一作者：蔡卫滨（1976—），男，博士后。