耐高温PBI基质子-电子混合传导复合膜的构制及其氢渗透性能研究
发布时间：2021-09-29 08:50
以3,3′-二氨基联苯胺（DABz）和间苯二甲酸（IPA）为原料,采用熔融聚合法合成了低分子量可耐高温的聚[2, 2′-（间苯基）-5,5′-联苯并咪唑]（mPBI）有机膜材料;以异氰尿酸三缩水甘油酯（TGIC）为交联剂,并浸渍磷酸提供质子传导路径,添加片状石墨作为电子导体,得到质子-电子混合导体mPBI-TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜.对交联复合膜进行结构和性能表征,结果表明交联复合膜具有良好的机械性能和抗氧化稳定性.用于H2/CO2混合气体分离,300℃时,H2选择性高达100%,渗透量为4.93×10-9 mol/（m2·s·Pa）;280℃时,可稳定运行160 h.表明mPBI-TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜具有良好的耐高温性,有望用于工业高温气体的分离.
【文章来源】：膜科学与技术. 2020,40(06)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜
以体积分数50% H2/50% CO2混合气做原料,原料侧加压至507 kPa,而渗透侧为101 kPa,进行mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜的H2/CO2分离性能研究,结果见图6.从图6可看出,随着温度升高,H2的渗透率显著提高.从180 ℃增加到300 ℃,氢渗透能力从0.674×10-9增加至4.93×10-9 mol/(m2·s·Pa),提高了约7.3倍,表明随着温度的升高,质子通过mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜的扩散性明显增加.同时发现,在180～300 ℃的操作温度范围内,除了H2以外,渗透侧没有检测到CO2,此膜对H2具有几乎100%的选择性,说明此膜具有良好的质子 - 电子混合传导性.然而超过300 ℃后H2的渗透性和选择性明显降低,在350 ℃趋向于0,这是由于高温时磷酸基的流失使得质子传导能力降低.表1为其他用于H2/CO2分离的聚合物PBI基膜的H2渗透性能[14,16,23-24].可见本文制备的膜具有较高的H2渗透率和100%的选择性.为进一步确定mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜的耐高温性能,选取新制备的交联复合膜在280 ℃下进行长达160 h的H2渗透性能测试,见图7.可见,在100%的H2选择性下,160 h内H2渗透量无显著变化,这表明制备的mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜具有良好的热稳定性.可能由于膜厚度稍薄,相同温度下新膜的H2渗透量比图6稍高.长期实验后的膜微观结构与测试前基本一致(图2).以上结果表明,制备的mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜不但具有优异的H2选择性,而且在高温下能够长期稳定运行,能够应用于高温H2生产过程.
表1 mPBI/石墨/H3PO4膜与其他用于H2/CO2分离的聚合物PBI基膜的H2渗透性比较Table 1 The hydrogen permeation of mPBI/graphite/H3PO4 membrane comparing with the other PBI-based polymer membrane for H2/CO2 separation 膜组成 H2渗透机理 厚度/μm 温度/℃ H2渗透率/Barrer 选择性 参考文献 mPBI/石墨/H3PO4 混合传导 100.7 300 1 472 100% 本文 PBI - H3PO4 筛分 10 150 12 34 [16] PBI - TBB 筛分 20±3 150 9.6 24 [23] TR - PBI 筛分 120 1 624 1.98 [24] PBI - DBX 筛分 80±5 150 46.2 9.9 [14] 注:1 Barrer=7.5×10-14cm3(STP)·cm/(cm2·s·Pa).3 结论
【参考文献】：
期刊论文
[1]PBI膜在CO2捕集方面的研究进展[J]. 杨胜,张显娟,逯鹏,魏雅宇,陈晨,李砚硕. 膜科学与技术. 2019(06)
[2]聚苯并咪唑（PBI）渗透汽化膜的研究进展[J]. 夏玲玲,王艳. 膜科学与技术. 2014(05)
本文编号：3413424
【文章来源】：膜科学与技术. 2020,40(06)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜
以体积分数50% H2/50% CO2混合气做原料,原料侧加压至507 kPa,而渗透侧为101 kPa,进行mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜的H2/CO2分离性能研究,结果见图6.从图6可看出,随着温度升高,H2的渗透率显著提高.从180 ℃增加到300 ℃,氢渗透能力从0.674×10-9增加至4.93×10-9 mol/(m2·s·Pa),提高了约7.3倍,表明随着温度的升高,质子通过mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜的扩散性明显增加.同时发现,在180～300 ℃的操作温度范围内,除了H2以外,渗透侧没有检测到CO2,此膜对H2具有几乎100%的选择性,说明此膜具有良好的质子 - 电子混合传导性.然而超过300 ℃后H2的渗透性和选择性明显降低,在350 ℃趋向于0,这是由于高温时磷酸基的流失使得质子传导能力降低.表1为其他用于H2/CO2分离的聚合物PBI基膜的H2渗透性能[14,16,23-24].可见本文制备的膜具有较高的H2渗透率和100%的选择性.为进一步确定mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜的耐高温性能,选取新制备的交联复合膜在280 ℃下进行长达160 h的H2渗透性能测试,见图7.可见,在100%的H2选择性下,160 h内H2渗透量无显著变化,这表明制备的mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜具有良好的热稳定性.可能由于膜厚度稍薄,相同温度下新膜的H2渗透量比图6稍高.长期实验后的膜微观结构与测试前基本一致(图2).以上结果表明,制备的mPBI - TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜不但具有优异的H2选择性,而且在高温下能够长期稳定运行,能够应用于高温H2生产过程.
表1 mPBI/石墨/H3PO4膜与其他用于H2/CO2分离的聚合物PBI基膜的H2渗透性比较Table 1 The hydrogen permeation of mPBI/graphite/H3PO4 membrane comparing with the other PBI-based polymer membrane for H2/CO2 separation 膜组成 H2渗透机理 厚度/μm 温度/℃ H2渗透率/Barrer 选择性 参考文献 mPBI/石墨/H3PO4 混合传导 100.7 300 1 472 100% 本文 PBI - H3PO4 筛分 10 150 12 34 [16] PBI - TBB 筛分 20±3 150 9.6 24 [23] TR - PBI 筛分 120 1 624 1.98 [24] PBI - DBX 筛分 80±5 150 46.2 9.9 [14] 注:1 Barrer=7.5×10-14cm3(STP)·cm/(cm2·s·Pa).3 结论
【参考文献】：
期刊论文
[1]PBI膜在CO2捕集方面的研究进展[J]. 杨胜,张显娟,逯鹏,魏雅宇,陈晨,李砚硕. 膜科学与技术. 2019(06)
[2]聚苯并咪唑（PBI）渗透汽化膜的研究进展[J]. 夏玲玲,王艳. 膜科学与技术. 2014(05)
本文编号：3413424
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