含哌嗪聚醚共聚酰胺膜的制备与性能研究

发布时间：2020-11-05 05:23

　　 膜技术是最具发展前景的CO_2捕集技术之一,因此,开发高渗透性、高选择性、低成本的CO_2分离膜材料则是膜技术用于CO_2捕集的重要需求。作为一种新型材料,聚醚共聚酰胺是由一定比例的聚醚软链段和聚酰胺硬链段共聚而成。然而,传统的聚醚共聚酰胺塑化现象严重,当CO_2在聚合物中的浓度足够高时,会增加聚合物的自由体积和链段活动性,导致膜的分离系数下降。本文引入哌嗪结构作为硬段,通过改变软链段和硬链段的比例,可以得到一系列具有不同硬度、具有抗塑化性能的聚合物膜材料,从而提高CO_2分离膜的分离性能。为了进一步增加膜的渗透性,添加了ZIF-8和MIL-101材料,制备了混合基质膜。首先通过引入哌嗪结构作为硬段,成功合成了这种结构可控的聚醚共聚酰胺。结果表明,使用PEG 1000(醇胺比为1:3)时,成膜性与分离性能最好。聚醚共聚酰胺膜的气体渗透性能随着温度的升高而升高,随着压力的升高而降低,CO_2选择性能随着温度的升高而降低,随着压力的升高而降低,体现出材料的抗塑化性能。当温度为65°C时,对CO_2的渗透率达到24 barrer,当温度为25°C时,CO_2/N_2的选择性高达15。因此,在一定的适宜温度范围内,低温环境有利于分离,但高温环境有利于气体渗透。当压力为100 KPa时,CO_2的渗透率达到6 barrer,CO_2/N_2的选择性达到较高值15。为了提高材料对气体的渗透性和选择性,选择ZIF-8作为掺杂材料,其孔体积为0.63cm~3·g~(-1),比表面积为1630 m~2·g~(-1),孔道直径为3.4?。在常温25℃和100 KPa下,当掺杂15%的ZIF-8时,制备的膜具有最佳的气体分离性能。对CO_2的渗透系数,可达23barrer,CO_2/N_2的选择性达到最大值23,CO_2/CH_4的选择性达到最大值16。升温,渗透性增加,选择性降低。随着压力的增加,各种气体的渗透率普遍下降,体现了膜材料对CO_2的抗塑化作用。当测试压力为100 KPa时,混合基质膜拥有较高的选择性。为了进一步的增加膜的渗透性和选择性,选择MIL-101作为掺杂材料,其孔体积为2.01 cm~3·g~(-1),比表面积高达5900 m~2·g~(-1),孔道直径为29~34?,以自身发达的孔道结构提高膜的渗透性。在25℃和100 KPa下,MIL-101的掺杂量为15%时,制备的混合基质膜表现出最好的气体分离效果。CO_2的渗透系数可达34 barrer,CO_2/N_2的选择性可接近28,CO_2/CH_4的选择性可达最大值17。升高温度有利于渗透。随着压力的升高,渗透性呈普遍下降的趋势,体现了膜材料对CO_2的抗塑化作用。在100 KPa时,混合基质膜达到较高的选择性。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.893
【文章目录】：
摘要
Abstract
引言
1 文献综述
2分离技术'>    1.1 CO₂分离技术
2分离膜简介'>    1.2 CO₂分离膜简介
        1.2.1 高分子膜简介
        1.2.2 无机膜简介
        1.2.3 高分子-无机杂化膜简介
2分离膜材料研究进展'>    1.3 CO₂分离膜材料研究进展
        1.3.1 高分子膜研究进展
        1.3.2 无机膜研究进展
        1.3.3 高分子-无机杂化膜研究进展
    1.4 选题依据及研究内容
2 聚醚共聚酰胺膜的制备与性能研究
    2.1 实验部分
        2.1.1 实验材料
        2.1.2 实验仪器和装置
        2.1.3 聚醚共聚酰胺材料的制备
        2.1.4 膜材料的结构表征与性能测试
    2.2 结果与讨论
        2.2.1 材料的结构表征结果
        2.2.2 材料结构（软硬段比例）对膜性能的影响
        2.2.3 测试条件对聚醚共聚酰胺膜性能的影响
    2.3 本章小结
3 聚醚共聚酰胺/ZIF-8混合基质膜的制备及性能研究
    3.1 实验部分
        3.1.1 实验材料
        3.1.2 实验仪器和装置
    3.2 聚醚共聚酰胺/ZIF-8混合基质膜的制备与表征
        3.2.1 ZIF-8的制备
        3.2.2 聚醚共聚酰胺/ZIF-8混合基质膜的制备
        3.2.3 聚醚共聚酰胺/ZIF-8混合基质膜的结构表征
        3.2.4 聚醚共聚酰胺/ZIF-8混合基质膜的气体分离性能测试
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 聚醚共聚酰胺/ZIF-8混合基质膜的结构表征结果
        3.3.2 ZIF-8添加量对ZIF-8混合基质膜分离性能的影响
        3.3.3 测试条件对ZIF-8混合基质膜分离性能的影响
    3.4 本章小结
4 聚醚共聚酰胺/MIL-101混合基质膜的制备及性能研究
    4.1 实验部分
        4.1.1 实验材料
        4.1.2 实验仪器和装置
    4.2 聚醚共聚酰胺/MIL-101混合基质膜的制备与表征
        4.2.1 MIL-101的制备
        4.2.2 聚醚共聚酰胺/MIL-101混合基质膜的制备
        4.2.3 聚醚共聚酰胺/MIL-101混合基质膜的结构表征
        4.2.4 聚醚共聚酰胺/MIL-101混合基质膜的气体分离性能测试
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 聚醚共聚酰胺/MIL-101混合基质膜的结构表征结果
        4.3.2 MIL-101添加量对MIL-101混合基质膜分离性能的影响
        4.3.3 测试条件对MIL-101混合基质膜分离性能的影响
    4.4 本章小结
结论
创新点及展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 桂霞;姜忠义;汤志刚;吴洪;费维扬;;CO_2吸收富液膜法解吸的研究[J];现代化工;2011年07期

本文编号：2871190