离子液体超交联聚合物的合成及气体分离性能研究

发布时间：2018-02-10 16:15

本文关键词： 离子液体超交联聚合物气体分离吸附乙炔二氧化碳二氧化硫　出处：《浙江大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：离子液体具有结构性质可设计、分子识别能力强等特点,在气体分离领域显示了良好的应用前景。多孔聚离子液体材料的合成既可以避免离子液体高粘度对应用的影响,同时有助于拓宽离子液体在气体吸附和膜分离领域的应用。但现有的多孔聚离子液体材料存在制备复杂、比表面积小和离子液体含量低等缺点。本文探索了基于傅克烷基化反应制备离子液体超交联多孔材料的方法,系统研究了所合成材料的微观结构和气体吸附分离性能,以期为新型离子液体多孔材料的设计和应用提供思路。本文发展了两种离子液体超交联聚合物的合成策略,一是芳香刚性单体辅助的超交联策略,二是多卤代芳香烃为交联剂的超交联策略。验证了两种不同策略合成离子液体超交联多孔材料的可行性,成功合成了六种具有较高离子液体含量、比表面积的新型离子液体超交联多孔材料,并对其性质进行了表征。系统地研究了合成工艺参数对离子液超交联多孔材料的离子液体含量以及孔结构的影响。结果表明,单纯的离子液体在甲缩醛为交联剂下得到的聚合物交联度较低或无孔,而使用两种策略均能成功合成多孔离子液体超交联聚合物。使用策略一合成的HP-[BzMim][Cl]-co-PhH([BzMim][Cl]= 1-苄基-3-甲基咪唑氯盐,PhH=苯)的离子液体含量为10.51wt%,其比表面积为258m2/g。使用多卤代芳香烃为交联剂的超交联策略(策略二)也可合成孔结构丰富的离子液体超交联聚合物,且具有较高的离子液体含量和微孔比表面积。研究表明离子液体阴离子具有芳环相对于阳离子具有芳环更容易制备离子液体超交联聚合物。其中,HP-[P4442][Ba]-DCX([P4442][Ba]=一乙基三丁基膦苯甲酸盐,DCX=1,4-对二氯苄)的离子液体含量为55.51 wt%,比表面积和微孔比表面积分别为913.80和488 m2/g。对于多卤代芳香烃为交联剂的超交联策略,增加反应过程中离子液体用量可以提高材料的离子液体含量。与之相反,增加催化剂的用量会减少材料的离子液体含量。研究了所合成离子液体超交联聚合物的乙烯乙炔吸附分离性能,采用理想溶液模型(IAST)计算了该材料对乙烯乙炔的分离选择性,初步考察乙炔乙烯混合气体的穿透分离性能。结果表明,离子液体超交联聚合物具有较高的乙炔吸附容量以及乙炔/乙烯分离选择性,高于常规超交联聚合物,其中HP-[BzMim][Cl]-DCX的乙炔吸附容量达2.40 mmol/g。298 K,1 bar 时,在 1:99 乙炔/乙烯的体系中,HP-[BPy][CBa]-DCX 和 HP-[BzMim][Cl]-DCX的乙炔乙烯IAST选择性分别为7.56和5.98,优于现有的金属有机框架材料NOTT-300(2.15)、FeMOF-34(2.08)以及常规超交联聚合物HP-DCX(2.81)。穿透实验证实其选择性的乙炔乙烯分离能力。研究了离子液体超交联材料对CO_2的吸附性能,探索了离子液体含量、交联剂种类对CO_2吸附容量的影响。结果表明,采用多卤代芳香烃为交联剂的超交联策略合成的离子液体超交联聚合物具有较高的CO_2吸附量,优于常规超交联聚合物。1bar,298K时,阴离子为苯甲酸根的HP-[P4442][Ba]-DCX的CO_2吸附量达1.80mmol/g。适当提高材料合成过程中离子液体用量可以提高该材料的CO_2吸附容量。HP-[P4442][Ba]-DCX(2:2:2)为无孔材料,其吸附容量仍高达0.71mmol/g,高于常规离子液体多孔材料,如P(CMVIM-OAC)、P(VECImBr)。研究了离子液体超交联聚合物对SO_2的吸附性能,通过固定床穿透实验评价了该材料的动态分离性能,并考察了该材料的循环吸附-解吸性能。研究结果表明,使用1,4对二氯苄、联苯对二氯苄、1,3,5-三(溴甲基)苯为外交联剂时得到的离子液体超交联聚合物均具有较高的SO_2低压和常压吸附容量。在298K,S02分压为0.1bar时,HP-[BzMim][Cl]-DCX的SO_2吸附容量达到了 188mg/g,分压为1.0bar时,其SO_2吸附量高达430mg/g。固定床穿透实验验证了该材料对SO_2/CO_2和SO_2/N2混合气体(SO_2浓度均为2000 ppm)优异的吸附分离性能。其中,在SO_2/CO_2混合气流速为8.47ml/min时,CO_2和SO_2在填充有HP-[BzMim][Cl]-DCX的吸附柱(04.6×50mm,0.3535g)上的穿透时间分别为5min和570 min,实现了痕量S02气体的高效脱除。所装填的吸附柱对于SO_2/CO_2和SO_2/N2混合气的处理量分别达到了 13.66和16.55 L/g。循环吸附-脱附试验说明离子液体超交联聚合物具有较好的循环使用性能。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O631.3;TQ028.15

【参考文献】