基于多孔有机聚合物的混合基质膜及气体分离性能优化

发布时间：2021-03-14 16:04

　　在化工分离过程中,由于膜分离技术具有低能耗、装置简单、环境友好等优势而得到了广泛的关注。膜材料作为膜分离技术的核心,是膜实现高分离性能的关键。聚合物膜由于具有成本低、易加工等优点,已成为目前膜分离领域应用最广泛的材料。然而,聚合物膜的渗透性与选择性存在的Trade-off效应是制约其分离性能的关键因素。无机膜（例如:分子筛膜,沸石膜）可以有效的实现高渗透性和高选择性,但是无机膜脆性大。混合基质膜可以有效的结合聚合物与有序微孔材料的优势,在气体分离膜中具有良好的发展潜能。多孔有机聚合物作为一种非晶态多孔有机高分子材料,在气体吸附、分离中表现出优异的性能。聚醚嵌段酰胺（Pebax 1657）是一种商用膜材料,具有价格低廉、易于获得等优点。本论文以Pebax 1657为膜基质,多孔有机聚合物为主要的填充材料,通过简单的溶剂蒸发法制备混合基质膜,并研究其气体分离特性。论文的主要研究内容如下:通过偶氮反应制备出高比表面积,分散性良好,结构稳定的多孔有机聚合物（POPs）。得到的POPs材料对CO₂/N₂表现出优异的吸附选择性。为了提供高效的CO

【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校

【文章页数】：82 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

气体分离膜的发展历程[10]

绪论4图1.2气体在聚合物膜中的溶解-扩散过程Figure1.2Dissolution-diffusionprocessofgasinpolymericmembrane膜中气体的可凝性、膜基质与气体分子的作用力影响气体在膜中的溶解度。为解决这一问题，可以提高气体的可凝性，将气体分子与膜基质的亲和力提升。气体在膜中扩散的快慢由进入膜中的自由体积和气体分子大小决定的。聚合物链与链之间的空间体积称为“自由体积”，该因素是影响扩散速率的重要因素之一。聚合物链与链之间疏松的堆积、气体分子的无规则运动使气体分子快速通过膜。气体分子尺寸越孝自由体积越大，气体扩散速率越大。而气体选择性是膜将气体分开的一种能力。理想选择性αA/B由式（1.2）作为两种纯气体渗透性（A和B）的比值给出，并且可以用溶解度选择性（αSA/SB）和扩散选择性（αDA/DB）来进一步表示。AABBPP=(1.2)1.2.2促进传递机制带有和特定气体进行可逆反应的载体的膜被称为促进传递膜，在促进传递膜中通过特定的载体会促进CO2的快速传递（而其他气体例如：N2，CH4和H2，则不适用），实现CO2气体的有效捕集。由于CO2的酸性特质，它可以与氨或者碱式碳酸盐溶液反应。两性离子机理可以解释CO2与氨基之间的反应，该机理

绪论6AAXAAAXDDJCCll=+(1.9)其中DA和ΔCA分别是CO2分子的载体配合物的扩散系数和CO2分子的载体配合物浓度的变化。DAX和ΔCAX分别是CO2的载体配合物的扩散系数和CO2的载体配合物浓度的变化。l是膜的有效厚度。根据等式（1.9），CO2载体反应动力学影响膜的分离性能。如果CO2受到载体对气体较强的作用力，将会导致不可逆反应的发生，并且CO2将无法在渗透侧解吸。如果载体与CO2反应较弱，或者如果CO2与载体形成的络合物不稳定，膜容易被CO2饱和，并且不会发生促进传递过程。在理想条件下，有效的促进传递需要达到平衡状态。载体的活性同样受到环境的影响。例如：微环境的温度、载体的大孝自由体积分数、膜基质中水的含量[20]、微环境的pH值等[21]。通常，为了较好的促进气体传输，因此需要较小尺寸和较高密度的载体来产生更多的活性位点。另外，膜在分离时载体周围中的气体浓度是影响气体运输的另一个因素。膜中的高自由体积可能使CO2分子更容易进入并形成可逆反应。水对于大多数促进传递膜是必不可少。首先，水作为反应物去形成HCO3-离子，其传输速度比CO2分子快。其次，由于膜在潮湿环境中引起溶胀，也会产生附加的自由体积，增加的自由体积同样促进气体扩散。膜的可逆反应速率受到pH值的影响，进而影响膜的分离能力。图1.3CO2选择性促进传递膜Figure1.3CO2selectivelyfacilitatedtransportmembrane

【参考文献】：
期刊论文
[1]气体分离膜及其应用进展[J]. 徐徜徉.  气体分离. 2015(03)
[2]气体分离膜的发展历程[J]. 孟兆伟,张锋镝,任少科,李晓晨.  低温与特气. 2014(05)
[3]气体膜分离技术的应用[J]. 张菀乔,张雷,廖礼,战役.  天津化工. 2008(03)



本文编号：3082504