支撑炭膜的制备及用于膜催化强化反应过程的研究

发布时间：2017-05-18 02:09

  本文关键词：支撑炭膜的制备及用于膜催化强化反应过程的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：炭膜由含碳高分子材料经高温炭化制得,主要通过分子筛分机理对混合物进行高效分离。相比于有机膜,炭膜具有高渗透分离性、优异的耐热、化学稳定性和机械强度等优点,在气体分离、液体分离、膜催化和生物质提纯等领域显示出广阔的应用前景,已成为当今社会的研究热点之一。但由于均质炭膜质脆、易碎,无法满足工业实际生产要求,严重阻碍了其工业化发展进程。为此,本文通过旋转涂膜法将炭膜复合在高机械性能的炭质支撑体表面,并开发催化分离炭膜,促进炭膜在膜催化反应领域的发展,为提高炭膜的应用价值和商业化发展奠定基础。本文以酚醛树脂为支撑体原料,考察280℃预热处理和掺杂铜基催化剂对支撑体孔结构与成膜效果的影响;以1,4-双(4-氨基-2-三氟甲基-苯氧基)苯-1,2,3,4-环丁烷四甲酸二酐基聚酰亚胺(6FAPB-CBDA)为炭膜分离层前驱体,并引入催化剂,通过旋涂法制备支撑炭膜。采用热重、红外光谱、X射线衍射、扫面电镜、X射线光电子能谱以及气体渗透技术分别分析了样品的热稳定性、表面官能团演变、微结构、微观形貌、表面元素价态及分离性能。考察了渗透温度、渗透压强和催化剂掺杂量对炭膜气体分离性能的影响。最后,将炭膜耦合到反应器内用于强化甲醇水蒸气重整制氢反应,并考察了反应温度、催化剂配方、下游吹扫、炭膜材料对甲醇转化率和氢气收率的影响。结果表明:(1)经650℃炭化后,发现280℃预处理的支撑体孔径分布更均匀,主要分布在0.35-0.42μm,孔隙率达38.13%;而在支撑体中引入催化剂降低了其机械性能,同时孔径增大,孔隙更发达。(2)通过旋转涂膜法在最佳旋涂4次条件下所制备的支撑炭膜,对H2、CO2、O2、N2的渗透性分别为138.82Barrer、28.25Barrer、20.91Barrer和2.63Barrer,对H2/N2、CO2/N2和O2/N2选择性分别为52.8、10.7和8.0。(3)当引入催化剂后,炭膜的气体渗透性和选择性均降低,且随掺杂量增加,气体渗透性呈现先降低后增大趋势。(4)甲醇水蒸气重整制氢反应的最佳反应温度为240℃,最佳铜基催化剂配方为碳酸钠过量20%;当将纯支撑炭膜、催化剂杂化炭膜和催化炭膜耦合到反应器用于甲醇水蒸气重整制氢反应时,催化炭膜效果最好,甲醇转化率为69.8%,氢气收率为49.1%,比固定床反应器的氢气收率提高了67.6%。
【关键词】：炭膜 聚酰亚胺 气体分离性 膜催化
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893;TQ116.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第1章 文献综述11-23
• 1.1 膜分离技术11-12
• 1.2 炭膜12-20
• 1.2.1 前驱体选择12-14
• 1.2.2 成膜方法14-16
• 1.2.3 炭化工艺16
• 1.2.4 前驱体的改性16-17
• 1.2.5 操作条件17-18
• 1.2.6 分离机理18-19
• 1.2.7 炭膜的应用19-20
• 1.3 膜催化20-21
• 1.4 课题的提出和意义21-23
• 第2章 实验部分23-34
• 2.1 药品试剂与仪器23-24
• 2.1.1 药品与试剂23
• 2.1.2 仪器设备23-24
• 2.2 铜基催化剂制备24
• 2.3 炭膜制备24-26
• 2.3.1 非支撑炭膜的制备24-25
• 2.3.2 支撑炭膜制备25-26
• 2.4 分析表征26-30
• 2.4.1 前驱体热性能26
• 2.4.2 官能团演变26
• 2.4.3 微晶结构26-27
• 2.4.4 微观形貌27
• 2.4.5 X射线光电子能谱27
• 2.4.6 纯气体分离性能测定27-28
• 2.4.7 混合气的分离性能测定28-29
• 2.4.8 孔隙结构29-30
• 2.4.9 孔隙率30
• 2.4.10 机械强度测试30
• 2.5 甲醇水蒸气重整制氢30-34
• 2.5.1 反应工艺流程30-32
• 2.5.2 膜催化反应的分析32-34
• 第3章 纯炭膜的结构与性能分析34-43
• 3.1 引言34
• 3.2 支撑体的结构性能分析34-38
• 3.2.1 预处理对孔隙的影响34-35
• 3.2.2 预处理对表面官能团的影响35-36
• 3.2.3 预处理对微结构影响36-37
• 3.2.4 预处理对支撑体微观形貌的影响37-38
• 3.2.5 支撑体的机械性能38
• 3.3 支撑炭膜结构性能的研究38-41
• 3.3.1 预处理对支撑体涂膜效果的影响38-39
• 3.3.2 分离膜层表面形貌39-40
• 3.3.3 涂膜次数对炭膜分离性能的影响40-41
• 3.3.4 混合气体41
• 3.5 本章小结41-43
• 第4章 催化杂化支撑炭膜的性能研究43-56
• 4.1 引言43
• 4.2 杂化炭膜的性能表征43-48
• 4.2.1 杂化炭膜的热稳定性43-44
• 4.2.2 杂化炭膜的官能团演变44-45
• 4.2.3 杂化炭膜的微结构45-46
• 4.2.4 杂化炭膜的XPS分析46-47
• 4.2.5 杂化炭膜的微观形貌47-48
• 4.3 非支撑杂化炭膜48-50
• 4.3.1 非支撑杂化炭膜的微观形貌48-49
• 4.3.2 气体分离性能49-50
• 4.4 支撑杂化炭膜的气体分离性能50-54
• 4.4.1 渗透温度的影响50-52
• 4.4.2 渗透压力的影响52-53
• 4.4.3 铜基催化剂含量的影响53-54
• 4.5 混合气体分离性能54-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第5章 炭膜催化强化甲醇制氢研究56-73
• 5.1 引言56
• 5.2 甲醇水蒸气重整制氢的反应机理56-58
• 5.3 催化剂表征58-63
• 5.3.1 热稳定性能58-59
• 5.3.2 微结构59
• 5.3.3 X光电子能谱分析59-62
• 5.3.4 扫描电镜62-63
• 5.4 催化支撑体性能的研究63-68
• 5.4.1 表面官能团的研究63
• 5.4.2 微结构的影响63-64
• 5.4.3 表面元素分析64-66
• 5.4.4 支撑体微观形貌66-67
• 5.4.5 支撑体孔结构67-68
• 5.5 管式反应器甲醇重整制氢68-69
• 5.5.1 反应温度的影响68
• 5.5.2 催化剂的影响68-69
• 5.6 炭膜催化强化甲醇制氢的研究69-72
• 5.6.1 下游吹扫的作用69-70
• 5.6.2 杂化炭膜铜基催化剂掺杂量的影响70
• 5.6.3 催化炭膜的影响70-71
• 5.6.4 炭膜材料对反应的影响71-72
• 5.7 本章小结72-73
• 第6章 结论73-74
• 参考文献74-81
• 在学研究成果81-82
• 致谢82

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