PIM-1/ZIF-8修饰膜及其O 2 /N 2 分离性能研究
发布时间：2021-07-23 03:43
在氧氮分离技术领域,膜分离技术具有成本低和节能环保等诸多优势。在众多分离膜材料中,MOFs（金属有机骨架）混合基质膜兼具了聚合物材料良好的机械性能与MOFs优良的气体分离性能,展现出良好的应用前景。然而,传统的MOFs混合基质膜制备方法中MOFs颗粒与聚合物基体之间的相容性较差,而且在MOFs负载较高的情况下容易产生MOFs的团聚,形成非选择性的界面空隙,导致膜的气体分离性能和机械性能变差。为了解决上述问题,本文选用具有合适孔径和尺寸大小的ZIF-8和高O2/N2分离性能的PIM-1聚合物,通过原位生长法制备了PIM-1/ZIF-8复合膜和ZIF-8/PIM-1混合基质膜,并测定了膜的物理化学性质及膜的O2/N2分离性能:（1）通过原位生长的方式在PIM-1膜的表面引入ZIF-8纳米颗粒,通过调控ZIF-8纳米颗粒生长的周期制备了PIM-1/ZIF-8复合膜。所得到的PIM-1/ZIF-8复合膜具有优异的热稳定性能,并且有效的改善了聚合物与填料之间的界面缺陷问题,ZIF-8纳米颗粒与PIM-1膜之间...
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
O2/N2分离膜原理图
第一章绪论3断改进，无机膜的劣势正在逐渐改善。1.2.2聚合物膜材料在过去几十年的研究发展过程中，由于聚合物膜材料在工业气体分离中常常具有便于加工，重量轻并且面积小，价格低廉和高效节能等优势而长期被用作气体分离膜材料[6]。但是，分离性能较低（低渗透性和选择性）是聚合物气体分离膜的主要缺点。在聚合物膜中，气体分子的传输通常基于溶解-扩散机制。衡量气体分离膜两个最重要的指标分别是渗透性和选择性，渗透性反映了气体透过膜的速度，选择性则反映了气体膜的分离效率。聚合物膜的渗透性和选择性之间存在trade-off效应[7]，即Robeson上限。一般来说，只有以较低的选择性为代价才能提高气体分离膜的渗透系数。如图1-2所示为2008年O2/N2分离的Robeson上限。图1-2O2/N2分离的Robeson上限图Fig.1-2RobesonUpper-BoundforO2/N2separation聚砜（PSF），聚酰胺（PA），聚氨酯（PU），聚酰亚胺（PI），聚苯胺（PANi）通常被用作制备O2/N2分离膜的材料，如图1-3所示。在这些聚合物中，PSF膜是最有前途的分离O2/N2的聚合物材料之一，UnionCarbide于1965年首次报道了PSF膜，PSF膜具有良好的渗透性、选择性和机械强度[8]。1970年孟山都公司第一次把PSF膜用在大规模气体分离中而引起了广泛的注意。然而，由于PSF膜在气体分离应用中相对于其他膜材料渗透系数较低，PSF在气体分离中的应用
⒌母叻肿泳酆衔锊牧现?唬?蚱淦?迳?赶凳?和选择性接近2008年Robeson上限而得到了广泛的报道。近期研究表明，基于PSF和PI的聚合物膜显示出O2/N2分离良好的性能，接近或略高于2008年的Robeson上限[10]。PI具有优异的机械强度和玻璃化转变温度，这些特性的结合使PI能够在更严格的环境中使用，例如高温O2/N2气体分离过程[4]。聚（2,6-二甲基-1,4-亚苯基氧化物）（PPO）具有较好的气体渗透性能，但是选择性适中，因此研究者们通过对PPO的分子结构进行化学改性或者将PPO与添加剂共混来获得高选择性的改性PPO膜。图1-3用于O2/N2分离的聚合物膜材料Fig.1-3Polymer-basedmembranematerialsforO2/N2separation为了进一步提高O2/N2分离性能，研究人员开发了一种新的高渗透性气体分离膜材料，自聚微孔聚合物（PIM-1）。PIM-1具有刚性的梯形链状结构（如图1-4所示），这种结构使聚合物主链不能自由转动，阻碍了分子链的堆积，从而形成了很高的自由体积和很高的比表面积[11]。McKeown和Budd首次开发了PIM-1材料，由含有四羟基单体和含有四氟基的单体通过缩聚反应得到[12]，所制备的PIM-1气体分离膜的O2渗透系数达到了370，O2/N2选择性为4.0，气体分离性能远超传统的玻璃状聚合物气体分离膜材料，并且对选择性没有不利影响。PIM-1具有超高的气体渗透性能、微孔结构、优异的化学稳定性和热稳定性，在气体分离膜材料中受到越来越多的关注。
本文编号：3298526
【文章来源】：天津工业大学天津市
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
O2/N2分离膜原理图
第一章绪论3断改进，无机膜的劣势正在逐渐改善。1.2.2聚合物膜材料在过去几十年的研究发展过程中，由于聚合物膜材料在工业气体分离中常常具有便于加工，重量轻并且面积小，价格低廉和高效节能等优势而长期被用作气体分离膜材料[6]。但是，分离性能较低（低渗透性和选择性）是聚合物气体分离膜的主要缺点。在聚合物膜中，气体分子的传输通常基于溶解-扩散机制。衡量气体分离膜两个最重要的指标分别是渗透性和选择性，渗透性反映了气体透过膜的速度，选择性则反映了气体膜的分离效率。聚合物膜的渗透性和选择性之间存在trade-off效应[7]，即Robeson上限。一般来说，只有以较低的选择性为代价才能提高气体分离膜的渗透系数。如图1-2所示为2008年O2/N2分离的Robeson上限。图1-2O2/N2分离的Robeson上限图Fig.1-2RobesonUpper-BoundforO2/N2separation聚砜（PSF），聚酰胺（PA），聚氨酯（PU），聚酰亚胺（PI），聚苯胺（PANi）通常被用作制备O2/N2分离膜的材料，如图1-3所示。在这些聚合物中，PSF膜是最有前途的分离O2/N2的聚合物材料之一，UnionCarbide于1965年首次报道了PSF膜，PSF膜具有良好的渗透性、选择性和机械强度[8]。1970年孟山都公司第一次把PSF膜用在大规模气体分离中而引起了广泛的注意。然而，由于PSF膜在气体分离应用中相对于其他膜材料渗透系数较低，PSF在气体分离中的应用
⒌母叻肿泳酆衔锊牧现?唬?蚱淦?迳?赶凳?和选择性接近2008年Robeson上限而得到了广泛的报道。近期研究表明，基于PSF和PI的聚合物膜显示出O2/N2分离良好的性能，接近或略高于2008年的Robeson上限[10]。PI具有优异的机械强度和玻璃化转变温度，这些特性的结合使PI能够在更严格的环境中使用，例如高温O2/N2气体分离过程[4]。聚（2,6-二甲基-1,4-亚苯基氧化物）（PPO）具有较好的气体渗透性能，但是选择性适中，因此研究者们通过对PPO的分子结构进行化学改性或者将PPO与添加剂共混来获得高选择性的改性PPO膜。图1-3用于O2/N2分离的聚合物膜材料Fig.1-3Polymer-basedmembranematerialsforO2/N2separation为了进一步提高O2/N2分离性能，研究人员开发了一种新的高渗透性气体分离膜材料，自聚微孔聚合物（PIM-1）。PIM-1具有刚性的梯形链状结构（如图1-4所示），这种结构使聚合物主链不能自由转动，阻碍了分子链的堆积，从而形成了很高的自由体积和很高的比表面积[11]。McKeown和Budd首次开发了PIM-1材料，由含有四羟基单体和含有四氟基的单体通过缩聚反应得到[12]，所制备的PIM-1气体分离膜的O2渗透系数达到了370，O2/N2选择性为4.0，气体分离性能远超传统的玻璃状聚合物气体分离膜材料，并且对选择性没有不利影响。PIM-1具有超高的气体渗透性能、微孔结构、优异的化学稳定性和热稳定性，在气体分离膜材料中受到越来越多的关注。
本文编号：3298526
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