CO2化在功能型离子液体支撑膜中的溶解扩散机理研究

发布时间：2016-08-04 09:47

1引言

在非扩散膜中，膜用来隔离气相和液相，并给气相传质提供载体。因此膜的结构对系统的总性能、吸收性能、选择性能都有着重要影响。此外，为了保证长期的稳定性，膜的润湿、溶剂对膜材料的性能有着重要影响，一般多用合成高分子膜来降低溶剂的流失。非扩散膜的优点是：独立的液体和气体的流速控制；耗能低；可控的表面积，缺点是膜系统的稳定性不高。气体渗透膜是3种技术中最成熟的。当混合气体物通过膜时，某种气体的渗透率取决于其溶解度和扩散率，导致不同气体的渗透率不同。现在多用低成本、高分离率、易合成且化学性能稳定的高分子膜。传统的膜材料包括橡胶聚合物和玻璃聚合物。现在研究者正在探索可扩散的选择性膜，如聚合型离子液体，易于传质的膜，离子液体支撑或氨基化的功能化膜等。并宜气体渗透膜随着进气中二氧化碳的浓度的增加，其二氧化碳的选择性降低，该工艺的缺点是：需要给进气降温。因此寻找高的选择性、高的渗透率及热稳定性很好的膜是现有的挑战。
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2离子液体的合成及实验方法

2.1`反应机理

而对于功能型离子液体支撑膜，CO2在膜内的分离过程并不是只靠简单的溶解、扩散等物理过程来实现CO2的吸收，为了既满足吸收效果又满足高的选择性，在膜孔内需引进能够促进吸收对象穿透过膜传递的一些载体，从而达到提高支撑液膜的吸收结果，这种既促进又传递的现象是通过吸收对象与载体二者间发生一定的可逆化学反应来实现的，因此，功能型离子液体支撑膜对CO2的渗透符合促进传递机理。也就是：（1）功能型的离子液体利用膜的界面张力及膜之间的毛细管力作用负载在微孔中，CO2在渗透过程中，与载体，也就是功能型离子液体反应，即CO2与胺基之间的弱酸碱作用，从而溶解于膜的多孔结构中；（2）在压力差或浓度差及其它化学电位差的作用下，CO2能够凭借促进传递的优势从高势能侧向低势能侧扩散，一般采用促进因子来表征促进作用，，如式2-2：双模式吸附模型假设渗透分为两个部分，一部分溶解满足物理亨利定律，另一则符合化学朗格缪尔，两部分均很快达到平衡，则该分离组分的渗透性由扩散的过程来控制，但该模型没有考虑过化学作用所带来的动力学效应，因此当分离组分浓度升高时并不适用.

2.2试验药品及装置

试验条件为室温（T=20）。第一步：将试验的不诱钢反应装置用真空粟抽到罐体内达真空状态；第二步：在进气流量为50ml／min的条件下，对不同SILMs进行不同操作压力（0.05、0.1、0.15、0.2MPa）的纯CO2试验；第三步：在CO2刚进入罐体时，其压强迅速增大到压力顶峰值，后随时间变化缓慢降低并达到平衡（Aｑ），记录进气侧与渗透侧随时间变化的压差值，经过4h待该值稳定后，停止进气和试验，将橡胶垫和SILMs—并放入分析天平进行称重，并单独将橡胶垫称重，计算SILMs膜上负载的质量。

 3CO2在可支撑功能型离子液体膜中的溶解性研究.....25
3.1CO2在SILMs中的溶解性研究....25
3.2不同膜质对CO2在SILMs中的溶解性影响研究........27
3.3阳离子及阴离子对SILMs在SILMs中的溶解性影响研究....29
3.4CO2在功能型及传统型离子液体支撑膜的溶解性影响研究...........32
3.5本章小结...33
4SILMs在功能型离子液体支撑膜的渗透性研究.......34
4.1CO2在SILMs中的渗透性研究.....34
4.2不同膜质对CO2在SILMs中的渗透性影响研究.36
4.3阳离子对CO2在可支撑离子液体膜中的渗透性影响研究....37
5CO2在功能型离子液体支撑膜中的扩散性研究....43
5.1CO2在SILMs中的扩散性研究......43
5.2不同膜质对CO2在SILMs中的扩散性影响研究.....44
5.3阴离子及阳离子对CO2在SILMs中的扩散性影响研究.........46

5CO2在功能型离子液体支撑膜中的扩散性研究

5.1CO2在SILMs中的扩散性研究

表5-1显示，CO2在醇胺及稀胺所形成的离子液体膜中扩散性比纯胺溶液的扩散性要小两个数量级左右。主要的原因是：当胺与酸反应后形成了离子液体，通常情况下PES的粘度相比传统有机溶剂会要高出1-3个数量级，虽然将离子液体负载在微孔PES、PVDF膜中有助于提高扩散性，但是SILMs对CO2吸收的扩散性与离子液体本身物理性质有着息息相关的作用，因此CO2在可制成离子液体膜中的扩散性比纯胺溶液耍低。

5.2不同膜质对CO2在SILMs中的扩散性影响硏究

CO2在可支撑离子液体膜中的渗透过程居：CO2首先利用扩散到达离子液体内部，然后先物理吸收，后液体内部的ILs与胺基的活性位产生化学键合，进而导致化学吸收。因此，可支撑离子液体膜对ILs的捕获本质是一个由扩散控制的化学吸收过程。而气体在液相中的扩散速率是与离子液体粘度有关，液体粘度减小，扩散速率越会增大，因此CO2越容易被吸收以。所以，由于阴离子以及阳离子结构中的碳链长度对正Ｓ的粘度、密度等物理性质有较强的影响，进而可能影响到SILMs的扩散性能。

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6结论及展望

本文主要研究了ILs气体在胺基形成的SILMs中的溶解性、扩散性及渗透性，并考察了作为支撑膜的不同膜材料：PES膜和PVDF膜对其产生的影响，并采用相关模型对溶解度、扩散性、渗透性进行拟合，以探索离子液体在胺基类的SILMs中的变化，为今后更深入的研究提供相关支持。根据本次实验结果，得到结论如下：（1）均为疏水性、PES膜和PVDF膜，PES膜所负载的离子液体膜比PVDF膜多；ILs在SILMs中的溶解度、扩散性、渗透性均伴随操作压力的増加而增大；目前传统型的ILs由于成本较高，无法在工业上普及。所以功能型的研究成为了一个较为热点的话题。而将其与支撑膜结合进行气体吸收分离可以同时提高吸收效果和选择性，进一步分析反应机理，有助于提高ILs吸收性能：（1）完善ILs相关数据库，研究并总结共性规律，以便于提高研究效率；（2）从微观上进一步研究ILs吸收CO2的机理和规律，并根据其结构可调性，设计吸收效果更好的离子液体。（3）可考察CO2在SILMs的解析效果，有助于研究可支撑离子液体膜的重复使用率；（4）由于胺基类离子液体PH值较为偏碱性，可能对膜有一定的腐蚀性，可考察SILM的耐久性及稳定性，有助于其工业化。

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参考文献（略）

本文编号：84427