收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

高渗透性气体分离膜的制备与气体分离性能研究

姜旭  
【摘要】:化石燃料的利用过程中会产生多种气体产品及副产物,包括燃烧产生的CO_2,分解出的H_2和碳氢化合物等高附加值气体产物。其中,CO_2排放作为温室效应的罪魁祸首,严重影响着人类的生存环境,H_2和碳氢化合物的传统分离方法也面临着高耗能和二次污染的困境。因此迫切需要先进的气体分离技术用于CO_2、H_2、低级链烷烃、烯烃等高附加值工业气体的捕集和分离。膜分离由于其低耗能和易操作的优点被认为是未来最具发展潜力的分离技术。近年来,虽然传统聚合物分离膜性能不断得到提升,但大多数报道的聚合物分离膜的渗透通量仍然相对较低,难以满足工业需求。本论文将从高分子材料聚乙二醇(PEG)和有序多孔金属有机框架材料(MOFs)出发,以气体分离基础理论为指导,通过合理的结构设计,系统地合成制备了三大类用于高效CO_2捕集和H_2分离的高渗透性气体分离膜,分别为MOF分子筛膜、MOF/PEG混合基质膜、PEG聚合物膜。深入研究了制备的分离膜的理化性质和气体渗透性能,分析了三种分离膜的性能特点和主要应用方向,重点建立了分离膜的物理化学结构与气体分离性能之间的相互关系,探索了气体分子在不同结构分离膜中的渗透机理。为拓展分离膜材料,突破传统聚合物的性能限制,以及解决MOF分子筛膜加工难的问题,本文设计了一种简易的制备高性能MOF分离膜的新方法。根据多巴胺聚合与沸石咪唑骨架-8(ZIF-8)合成的类似条件,以多巴胺为调节剂,在常温水相的条件下实现了一步法合成高质量的ZIF-8分子筛膜。对多巴胺调控ZIF-8生长机理进行了深入研究,发现多巴胺在水相中自聚合的同时延缓了ZIF-8在基底上的生长速度,并抑制了ZIF-8的均相生长,形成的聚多巴胺(PDA)又进一步促进了ZIF-8在基底表面的生长并覆盖了可能的缺陷,最终制得了高质量的ZIF-8/PDA分子筛膜,并探索了反应时间对ZIF-8/PDA的形貌和性能影响。该ZIF-8/PDA分子筛膜表现出优异的H_2分离性能,其H_2/C_3H_8和C_3H_6/C_3H_8选择性分别高达6680和99。为了进一步解决纯MOF膜加工性差,难以应用的难题,本论文采用带有丙烯酸酯端基的PEG大分子单体与官能化UiO-66型MOF复合成膜,通过紫外交联制备了PEG/UiO-66混合基质膜。对UiO-66-NH_2进行改性,得到异丙烯基官能化的UiO-66-MA,再与PEG大分子单体原位紫外共聚,从而在PEG基质与分散的UiO-66-MA之间形成共价键,增强了PEG与UiO-66-MA之间的界面结合力,克服了传统混合基质膜界面结合性能差的缺点,均匀分散的UiO-66-MA在紫外交联PEG膜内构筑了高效的气体传输通道。采用原子力显微镜(AFM)和~(13)C固体核磁验证了PEG与UiO-66-MA之间的共价键合。气体渗透测试结果表明界面增强的PEG/UiO-66-MA混合基质膜的渗透通量远高于纯交联PEG膜和PEG/UiO-66-NH_2混合基质膜,CO_2渗透通量最高达到1450 Barrer,CO_2/H_2和CO_2/N_2选择性分别高达11.6和45.8。此外,还考察了不同界面状态的混合基质膜的CO_2塑化行为,建立了塑化性能与复合材料界面性能的反馈评价体系。进一步探索PEG材料的潜力,克服MOF粒子添加量升高对分离膜气体渗透性能的负面影响,将低分子量(500 g/mol)聚乙二醇二甲醚(PEGDME)原位地加入紫外交联PEG体系中用来代替MOF填料,通过紫外固化,一步制备了新型的PEG半互穿网络分离膜(SIPN)。实验结果表明,低分子量的液态PEGDME可以降低交联网络的玻璃化转变温度,提高交联网络分子链柔顺性,扩大交联网络的自由体积尺寸,从而极大地促进了气体分子在分离膜内的扩散效率。同时,PEGDME分子中丰富的醚氧(EO)基团提高了整个半互穿网络中醚氧重复单元的浓度,促进了CO_2在分离膜中的溶解,显著提高了SIPN膜的CO_2渗透能力。SIPN分离膜的CO_2渗透通量最高可达2980 Barrer,是目前橡胶态CO_2亲和性气体分离膜的最高值,同时具备优异的CO_2/H_2(14.7)和CO_2/N_2(45.7)选择性。基于改善SIPN分离膜机械性能的目的,本论文采用氨基官能化PEG和环氧官能化的PEG在120℃下制成热交联PEG网络(TCM),用大分子单体聚乙二醇甲醚丙烯酸酯(PEGMEA)对热交联PEG网络进行浸渍,使PEGMEA进入到热交联PEG网络中。再经过紫外辐照,引发PEGMEA二次聚合成类树根结构的支化polyPEGMEA(PPEGMEA),从而获得了具有支化结构的半互穿网络PEG分离膜(BSI)。PPEGMEA的高柔性侧链可以与交联的PEG网络形成动态纠缠,形成稳定的半互穿网络结构,同时提高了整个膜的链段柔顺性。结果表明,分离膜的拉伸强度、韧性、气体渗透性能、长期稳定性同时得到了明显改善。BSI膜的拉伸强度最高可增大到热交联膜的1.5倍。在20 atm和35℃测试条件下,CO_2气体渗透通量最高可达1952 Barrer,CO_2/H_2和CO_2/N_2选择性分别达到16.0和70.6。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 ;专业、高端、智能的膜分离测试分析仪——气体分离膜首选测试仪器[J];膜科学与技术;2012年03期
2 邹盛欧;气体分离膜技术动向[J];化工新型材料;1996年06期
3 ;日本开发出利用气体分离膜回收有机蒸气的装置[J];中国环保产业;1995年02期
4 张应焞;;选择性优异的气体分离膜[J];低温与特气;1992年02期
5 皮耐安;气体分离膜进展[J];自然杂志;1985年11期
6 刘训勤;;气体分离膜的研究开发动向[J];军队卫生装备;1987年01期
7 秦卫平;高温用气体分离膜研制成功[J];兰化科技;1988年03期
8 徐纪平;气体分离膜的进展[J];功能高分子学报;1988年01期
9 郑世沛;;气体分离膜的开发动向[J];材料导报;1988年03期
10 赖高惠;烃蒸汽回收设备工业化[J];化工装备技术;1989年05期
11 ;气体分离膜的经济性[J];化工装备技术;1989年06期
12 周忠清;由气体分离膜制造高纯氢气的装置[J];膜科学与技术;1989年01期
13 徐京生;;用气体分离膜制取高纯氢[J];低温与特气;1989年01期
14 皮耐安;;日本气体分离膜技术进展[J];天然气化工(C1化学与化工);1989年03期
15 于冰;刘小冕;丛海林;徐晓丹;李泽敬;连祎琛;;聚合物气体分离膜改性及应用进展[J];化工新型材料;2015年05期
16 谭婷婷;展侠;冯旭东;李继定;;高分子基气体分离膜材料研究进展[J];化工新型材料;2012年10期
17 彭福兵,刘家祺;气体分离膜材料研究进展[J];化工进展;2002年11期
18 王学松,徐仁贤;气体分离膜的开发近况[J];化工进展;1990年02期
19 李悦生;丁孟贤;徐纪平;;聚酰亚胺气体分离膜的进展[J];高分子通报;1991年03期
20 ;宇部首创的聚酰亚胺中空纤维气体分离膜实用化[J];合成纤维工业;1984年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 曹义鸣;;气体分离膜的研究及应用[A];第三届膜分离技术在冶金工业中应用研讨会论文集[C];2009年
2 党延斋;;气体分离膜技术在炼化企业的应用[A];膜分离技术在石油和化工行业中应用研讨会论文集[C];2006年
3 邱志明;陈光;张所波;;性能优化的聚酰亚胺气体分离膜材料制备及性能[A];2005年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2005年
4 郑国栋;闻久绵;张金兰;肖军;赵晓光;邱学鹏;徐纪平;;高性能气体分离膜与膜材料的研究聚1—三甲硅基丙炔的合成、制膜与氧氮透过性[A];首届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];1992年
5 刘壮;李龙;刘佰军;姜振华;;新型聚醚砜材料的合成及其气体分离性能的研究[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
6 江雪薇;张清华;;基于热重排反应聚酰亚胺气体分离膜的制备及性能研究[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题K:高性能高分子[C];2017年
7 贾明民;冯艺;姚建峰;;具有高氢气分离性能的UiO-66-NH_2和GO复合膜的制备研究[A];第19届全国分子筛学术大会论文集——B会场:等级孔材料多孔膜材料多孔材料理论研究[C];2017年
8 任会婷;王正宫;靳健;;氨基功能化修饰的PIM-1/MOF复合基质气体分离膜[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第十分会:高分子[C];2016年
9 栗广勇;马艳勋;张鑫巍;;气体分离膜在常规和非常规天然气处理过程中的应用[A];2015年全国天然气学术年会论文集[C];2015年
10 秦亚楠;项爱民;;聚乙烯醇/沸石复合材料的制备[A];2016年全国高分子材料科学与工程研讨会论文摘要集[C];2016年
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 姜旭;高渗透性气体分离膜的制备与气体分离性能研究[D];哈尔滨工业大学;2019年
2 代岩;氟化/共聚橡胶态聚合物气体分离膜制备及性能研究[D];大连理工大学;2017年
3 阮雪华;气体膜分离及其梯级耦合流程的设计与优化[D];大连理工大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 段可;基于共价有机骨架COF-5气体分离膜的制备及其性能研究[D];郑州大学;2019年
2 沈钦;高性能自具微孔聚合物气体分离膜的设计与性能研究[D];郑州大学;2019年
3 陈召钰;含氨基聚芳醚酮类气体分离膜的制备与性能研究[D];长春工业大学;2019年
4 李丹琦;含苯炔基的聚酰亚胺热交联膜气体分离材料的制备及性能研究[D];吉林大学;2018年
5 刘相宝;聚醚砜中空纤维气体分离膜的制备与涂覆工艺的研究[D];北京化工大学;2018年
6 燕杰;热诱导交联提高聚酰亚胺气体分离膜材料抗CO_2塑化性的研究[D];北京化工大学;2018年
7 张一鸣;基于碳酸酐酶及仿生酶CO_2分离膜的制备与性能研究[D];郑州大学;2018年
8 宋倩倩;功能高分子微纳米球用于传输分离体系的研究[D];青岛大学;2018年
9 刘宗华;新型改性硅橡胶气体分离膜的富氧性能研究[D];暨南大学;2002年
10 孙静;分子自组装制备二氧化碳气体分离膜[D];浙江工业大学;2017年
中国重要报纸全文数据库 前4条
1 胡永峰;我气体分离膜技术跻身国际先进[N];中国化工报;2004年
2 中国膜工业协会 翟建文;基础膜材料国产化亟待加快[N];中国化工报;2002年
3 本报记者 庞利萍;膜科技:打开迈向绿色工厂通道[N];中国化工报;2011年
4 华萱;膜工业科技发展要点[N];中国石化报;2001年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978