气体分离性能测量装置的搭建与聚合室温离子液体膜的制备与研究

发布时间：2017-08-15 23:02

  本文关键词：气体分离性能测量装置的搭建与聚合室温离子液体膜的制备与研究

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【摘要】：近年来,室温离子液体(RTIL)由于结构的多样性、物理化学性质的可控性强,引起了越来越多的气体膜研究者的重视。RTIL是由有机态的阳离子和有机或无机态的阴离子组成的有机盐。由于其熔点通常低于室温(25℃),因此被称为室温离子液体。研究结果表明：通过设计阴、阳离子的结构,RTIL可以具备极高的CO2吸附能力和CO2/N2选择性吸附能力。经过特殊设计的RTIL形成的支撑液膜(SILM)体现出了杰出的CO2/N2分离性能。SILM中的离子液体容易被高压气体挤出支撑层使得SILM的稳定性较差,从而失去了分离效果。研究人员为了提高其机械性能尝试将液态RTIL转化为聚合态RTIL。然而,在液态RTIL发生聚合反应后,由于材料的密度提高,导致自由体积显著下降,气体渗透性能以及CO2/N2的选择性要远低于液态RTIL中的选择性。为了解决这一问题,研究人员将RTIL中共混液态RTIL。由于混入的液态RTIL保持了其物理特性,使得共混膜有良好的机械稳定性,从而CO2/N2选择性以及CO2的渗透性能均得到了很大的提升。本课题中,为了研究聚合物膜材料的气体分离性能,基于双体积压力衰减法,设计并搭建一套可精确测量气体溶解度的装置。该装置可测量不同气体(He、H2、N2、O2、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C3H6、 C3H8等)在有机物,无机物、非挥发性液体等材料中的溶解度。设备的应用温度为室温-50℃,测量压力范围是0-1000 psi(0-66atm)。该设备采用计算机自动采集数据,因此具有极高的测量精度(±5%)。在标定过程中,采用Virial模型计算标定气体的活度,并用He作为标定气体,通过改变样品室的体积并测量样品室与储藏室的体积比,可精确计算出它们的体积。在测量聚合物气体吸附量过程中,采用压力衰减法,通过测量不同压力下,聚合物达到吸附平衡时吸附室的压力衰减,从而计算得到聚合物的等温吸附曲线。此外,为了研究聚合物膜材料的气体渗透性能,本课题设计并搭建一套可精确测量纯气体和混合气渗透速率以及选择性的装置。设备的应用温度为室温-50℃,测量压力范围是0-750psi (0-50atm)。该设备采用计算机自动采集数据,因此具有极高的测量精度。在标定过程中,通过称重法精确标定了下游储气罐的体积,并通过测量气体膨胀前、后下游储气罐与下游管路的体积比,精确标定了下游管路的体积。为了验证该装置的准确性,分别测量了不同压力下,PDMS膜在35℃时N2、02及C02的渗透系数以及摩尔分数为15/85%的CO2/N2混合气的渗透系数及选择性。测量结果与文献中报道的数据吻合良好,验证了该设备具有极高的准确性和可靠性。为了制备具有优秀C02吸附能力及CO2/N2分离能力的聚RTIL膜,本课题中,以乙烯基咪唑为单体,通过自由基聚合合成聚乙烯基咪唑基底,随后,通过与3-溴丙胺氢溴酸盐的接枝反应向咪唑环上引入含有氨基的功能化官能团,最后,通过离子交换反应得到含有氨基的poly (RTIL)。对最终产物进行FT-IR和1H-NMR结构表征,并通过TGA以及GPC测量膜的各项性能。随后,通过浇铸法制得厚度均一的poly (RTIL)膜。结果表明,本实验中成功合成并制备含有氨基功能化基团的聚室温离子液体膜,所得产物具有良好的热力学稳定性,室温下为橡胶态聚合物,并具有较高的分子量,容易成膜。随后,通过浇铸法制得厚度均一的聚RTIL膜,使用本课题中搭建的气体分离设备测量的所制备的聚RTIL膜的CO2/N2气体分离性能,为了提高聚合物膜中氨基与CO2的反应效率,在聚合物膜上涂覆体积分数比为50%比50%的聚乙二醇(PEG)-水混合溶液,实验结果表明,poly (RTIL)膜的N2、CO2渗透通量提高到7.8barrers和62barrers,约为干燥状态下的2.4倍和6倍,CO2/N2的选择性可达到8左右。
【关键词】：气体溶解度测量 气体渗透性能测量 聚室温离子液体膜 CO_2/N_2分离
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-18
• 第一章 绪论18-32
• 1.1 气体溶解度测量的发展18-19
• 1.2 气体渗透性能测量的发展19
• 1.3 工业二氧化碳分离的研究进展19-21
• 1.4 室温离子液体膜的研究进展21-29
• 1.4.1 室温离子液体21-23
• 1.4.2 功能化室温离子液体23-24
• 1.4.3 离子液体支撑液膜24-25
• 1.4.4 聚室温离子液体膜25-26
• 1.4.5 聚室温离子液体-室温离子液体共混膜26-29
• 1.5 课题的意义和研究内容29-32
• 1.5.1 论文课题的意义29-30
• 1.5.2 论文课题的主要研究内容30-32
• 第二章 气体溶解度测量装置的设计与搭建32-46
• 2.1 理论32-34
• 2.1.1 溶解-扩散模型32-33
• 2.1.2 双体积压力衰减法33-34
• 2.2 气体溶解度测量装置的描述34-36
• 2.2.1 装置元件34
• 2.2.2 温控系统34-36
• 2.2.3 气体溶解度测量系统36
• 2.2.4 数据采集系统36
• 2.3 气体溶解度测量装置的体积标定36-39
• 2.3.1 样品室与储藏室为空时的体积标定36-37
• 2.3.2 样品室装填入小球时的体积标定37
• 2.3.3 样品室与储藏室体积的计算37-38
• 2.3.4 误差分析38-39
• 2.4 气体溶解度测量装置的检验39-44
• 2.4.1 实验材料40
• 2.4.2 气体溶解度测量实验40
• 2.4.3 结果与讨论40-44
• 2.4.3.1 PIM-1膜的气体溶解度测量41-42
• 2.4.3.2 PDMS膜的气体溶解度测量42-44
• 2.5 本章小结44-46
• 第三章 气体渗透性能测量装置的设计与搭建46-56
• 3.1 理论46
• 3.2 气体渗透性能测量装置的描述46-50
• 3.2.1 装置元件46-47
• 3.2.2 温控系统47-49
• 3.2.3 气体渗透性能测量系统49
• 3.2.4 数据采集系统49
• 3.2.5 混合气渗透性能分析系统49-50
• 3.3 气体渗透性能测量装置的体积标定50-51
• 3.3.1 储气罐的体积标定50
• 3.3.2 下游管路的体积标定50-51
• 3.4 气体渗透性能测量装置的检验51-56
• 3.4.1 材料51-52
• 3.4.2 气体渗透性能测量装置的气密性检验52
• 3.4.3 纯气体的渗透性能测量52-53
• 3.4.4 混合气的渗透性能测量53
• 3.4.5 结果与讨论53-55
• 3.4.6 本章小结55-56
• 第四章 聚室温离子液体膜的制备及其CO_2/N_2分离性能56-68
• 4.1 实验材料与试剂56
• 4.2 实验仪器56-57
• 4.3 表征及测试方法57-59
• 4.3.1 傅里叶红外光谱(FT-IR)57-58
• 4.3.2 核磁共振氢谱(~1H-NMR)58
• 4.3.3 热重分析(TGA)58
• 4.3.4 差示扫描量热分析(DSC)58
• 4.3.5 凝胶渗透色谱分析(GPC)58-59
• 4.3.6 气体渗透性能测量59
• 4.4 聚室温离子液体膜的制备59-62
• 4.4.1 聚乙烯基咪唑(PVI)的合成59-60
• 4.4.2 3-溴丙胺氢溴酸盐的接枝反应60
• 4.4.3 离子交换反应60-61
• 4.4.4 聚室温离子液体膜的制备61-62
• 4.5 结果与讨论62-67
• 4.5.1 聚室温离子液体膜的FT-IR表征62-63
• 4.5.2 聚室温离子液体膜的~1H-NMR表征63-64
• 4.5.3 聚室温离子液体膜的TGA分析64-65
• 4.5.4 聚室温离子液体膜的DSC分析65
• 4.5.5 聚室温离子液体膜的GPC分析65-66
• 4.5.6 聚室温离子液体的气体渗透性能测量66-67
• 4.6 本章小结67-68
• 第五章 论文的主要结论以及工作展望68-72
• 5.1 论文的主要结论68-69
• 5.2 未来工作的展望69-72
• 5.2.1 气体溶解度测量装置未来工作的展望69-70
• 5.2.2 气体渗透性能测量装置未来工作的展望70
• 5.2.3 聚室温离子液体膜未来工作的展望70-72
• 参考文献72-78
• 致谢78-80
• 研究成果及发表学术论文80-82
• 作者和导师简介82-83
• 附件83-84

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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本文编号：680270