渗透蒸发作为新型的液体混合物分离技术,在脱除水中少量挥发性有机物(VOCs)方面具有突出的技术优势和良好的应用前景。提高渗透蒸发过程分离效率的关键是制备出同时具有高选择性和高渗透通量的渗透蒸发膜。为此,有必要对渗透蒸发过程的传质机理进行深入的研究,对膜材料的化学、物理结构特性与其渗透蒸发分离性能间的内在联系开展针对性的分析,对膜材料的选择与改进建立较为系统的理论。本研究分别以杯[4]芳烃( Calix[4]arene, CA )、杯[4]芳烃衍生物(Calix[4]arene derivate, CAD)和碳纳米管(Carbon Nanotube, CNT)为填充剂制备了一系列PDMS填充膜,并研究了填充剂类型、填充量对渗透蒸发膜脱除水中微量苯的分离性能的影响。其中CA和CAD的填充均能显著提高PDMS膜的分离因子,而CNT的填充则没有起到提高膜分离因子的效果。当在PDMS中填入3wt%的CA时,PDMS膜的分离因子由3275提高到5604,苯通量则略有下降。采用红外光谱、微分扫描量热(DSC)、接触角实验、溶胀实验、X射线衍射实验(XRD)、动态机械分析实验(DMA)、正电子湮没实验(PALS)、偏光显微镜(PM)、扫描电子显微镜(SEM)等多种表征手段对膜材料的结构形态和物理化学参数进行了研究。分析了填充膜的材料特性与其分离性能之间的联系,结果表明,填充膜的苯通量与结晶度成反比,与溶胀度成正比。建立了填充剂为结晶态的填充膜的苯通量与其结晶度、溶胀度之间的数学模型。利用填充和复合两种技术的结合,制备了填充型PDMS复合膜,将PDMS参比膜的分离因子从3275提高到5702,将苯通量从129 g/(m~2·h)提高到407 g/(m~2·h),实现了膜对苯的选择性和渗透通量的同时提高。考察了渗透蒸发过程操作条件对膜分离性能的影响。苯通量、水通量与温度的关系均符合Arrhenius方程,随温度的增加而单调增加,而分离因子则随温度的增加单调而减小。苯通量随料液中苯浓度的增加而线性增加,随透过侧压力的增加而线性减小。利用串联阻力模型分析了渗透蒸发过程中边界层传质阻力和膜传质阻力随料液雷诺数(Re)的变化,复合膜的苯通量随料液雷诺数的增加而单调增加,而均质膜的苯通量则基本不变。