神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分離膜制備條件的研究.pdf

1、優(yōu)化分離膜制備條件可以提高膜的性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，具有十分重要的意義。目前，膜制備條件的優(yōu)化方法以正交試驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)法為主，即在多種條件下制備膜，根據(jù)膜的性能及其變化趨勢(shì)優(yōu)化制備條件。這種方法實(shí)驗(yàn)工作量大，只能得到較優(yōu)的制備條件。因此，建立普適的膜制備條件與性能之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，具有十分重要的意義。本研究基于Flory-Huggins理論分析得到了多種添加劑的最大加入量，制備了多種條件下的聚醚酰亞胺(PEI)超濾膜，并使用純水通量

2、截留率測(cè)定實(shí)驗(yàn)與圖像分析兩種方法對(duì)膜進(jìn)行了表征。利用這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立了優(yōu)化PEI超濾膜制備條件的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BPNN)和遺傳算法(GA)混合模型。該模型預(yù)測(cè)了不同制備條件下PEI超濾膜和聚二甲基硅氧烷(PDMS)/陶瓷滲透汽化復(fù)合膜的性能，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，具有較好的普適性。還預(yù)測(cè)出了高純水通量與期望截留率的PEI超濾膜和高滲透通量與期望選擇性的PDMS/陶瓷滲透汽化復(fù)合膜的制備條件。該模型減少了實(shí)驗(yàn)量，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)需要進(jìn)行膜的

3、設(shè)計(jì)制備。
　　利用Flory-Huggins理論研究了PEI為聚合物，N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)為溶劑，水(H2O)為非溶劑，乙醚(DE)、聚乙二醇(PEG400)、正丁醇(BuOH)和丁內(nèi)酯(GBL)為添加劑的鑄膜液體系的成膜熱力學(xué)過(guò)程，計(jì)算得到了H2O/DMAc/PEI、DE/DMAc/PEI、PEG400/DMAc/PEI和BuOH/DMAc/PEI體系的雙節(jié)線和旋節(jié)線，分析得到了H2O、DE、PEG400和BuOH

4、的最大加入量，并根據(jù)鑄膜液的熱力學(xué)性能進(jìn)行了膜的制備實(shí)驗(yàn)。使用MATLAB軟件開(kāi)發(fā)了膜孔結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì)程序，對(duì)膜的表面掃描電鏡照片進(jìn)行分析，得到了膜的平均孔徑、最大孔徑和離散孔徑等參數(shù)。提出利用離散孔徑與篩分方程計(jì)算膜的截留曲線、截留分子量和截留分子尺寸比利用平均孔徑準(zhǔn)確，并通過(guò)牛血清白蛋白(BSA)和葡聚糖分子的截留實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　在上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分別建立了BPNN和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)(RBFNN)模型回歸相轉(zhuǎn)化法五個(gè)關(guān)

5、鍵超濾膜制備條件（PEI濃度、添加劑種類與濃度、停留蒸發(fā)時(shí)間、凝膠浴溫度）與純水通量、BSA截留率之間的關(guān)系。BPNN易陷于局部極值，模型多次收斂結(jié)果差別較大;而RBFNN的容錯(cuò)性不理想，本研究結(jié)合BPNN很強(qiáng)的局部收斂能力與遺傳算法優(yōu)異的全局尋優(yōu)能力建立了BPNN-GA混合模型，并用“試差法”得到了較優(yōu)的模型結(jié)構(gòu)參數(shù)。盡管多種添加劑的成膜機(jī)理各異，膜性能變化趨勢(shì)多樣，但是BPNN-GA混合模型都能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)膜的純水通量與BSA截留率，大

6、部分測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差都小于10％，證明該模型的預(yù)測(cè)精度良好。該模型還預(yù)測(cè)出GBL是本研究BuOH、DE、PEG400、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和GBL中制備PEI超濾膜最優(yōu)的添加劑，預(yù)測(cè)出截留率為80-90％，純水通量高達(dá)1.15-0.95 m3·m-2·h-1的超濾膜的制備條件，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
　　為了進(jìn)一步考察BPNN-GA混合模型的普適性，本研究利用文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)了不同制備條件下PDMS/陶瓷滲透汽化膜的性能，并與