聚氧化乙烯基CO2分离膜的制备及其分离性能研究

论文摘要

大气中二氧化碳（CO2）排放量的增加导致温室效应加剧,对全球气候和人类社会的发展构成了严重的威胁。由于膜分离设备体积小、环境友好、效率高且能耗低,因此采用膜分离进行CO2捕集与存储被认为是一种经济可行和环保高效的选择。聚合物膜因其材料成本低、易于大规模生产而具有优异的商业价值。PEO分子链的醚氧官能团与CO2之间极强的四角偶极距作用而具有较高的CO2溶解性。为了提高PEO基聚合物气体分离膜的分离性能,设计了高渗透性、高CO2选择性聚合物膜材料,并详细探讨了分离膜制备方法、结构、分离性能和气体传输机理,为高效CO2膜分离聚合物基材料的合理设计和可控制备提供了思路。针对纯PEO气体分离性能较差的问题,通过对交联体系的设计,制备出了含有纳米粒子的杂化交联POSS/PEO交联膜。利用端氨基聚乙二醇（Jeffamine?ED-600,600 g/mol）、聚（乙二醇）二缩水甘油醚（PEO-500,500 mg/mol）和氨基功能化笼型倍半硅氧烷（POSS-NH2）之间的氨基与环氧基反应来制备杂化POSS/PEO交联膜。由于杂化POSS/PEO交联膜内存在大量的醚氧官能团和POSS-NH2的氨基,提高了CO2在膜内的溶解和扩散能力,从而提高了气体渗透通量。与纯的交联PEO膜相比,POSS-NH2含量为4 wt.%的杂化POSS/PEO交联膜的CO2气体通量从159.4 Barrer提高到385.2 Barrer,提高142%,而且CO2/N2和CO2/H2的选择性基本不变。为了拓展纳米粒子POSS-NH2的优势和POSS-NH2与PEO基体的分子链界面可以容纳小分子聚乙二醇（PEG）的特性,突破传统混合基质膜的性能限制,制备了高气体渗透通量的低分子量PEG浸渍杂化POSS/PEO交联膜（FIHMs）。结果表明,引入的低分子量（500g/mol）聚乙二醇二甲醚（PEGDME-500）能降低杂化POSS/PEO交联膜的玻璃化转变温度,并且增加了醚氧官能团的含量,提高了分离膜对CO2的亲和作用,提高了杂化POSS/PEO交联膜的CO2分离性能。相比纯PEO交联膜,在低分子量PEG浸渍和纳米粒子POSS-NH2的协同作用下,PEG浸渍交联膜（FIHMs）的气体分离性能也得到了提高。杂化POSS/PEO交联膜的PEGDME-500的浸渍量从44.4 wt.%从提高到180 wt.%,CO2渗透通量也显著提高,从纯交联PEO膜的159.4 Barrer提高到1566.8 Barrer,增加了982.9%,CO2/N2和CO2/H2的选择性分别为35.1和12.0。与POSS-NH2相比,树枝纤维状纳米二氧化硅（DFNS）具有独特的介孔结构、高的单分散性、大比表面积和表面大量的羟基使其极易与PEO形成氢键进一步提高对CO2的分离性能。通过紫外诱导PEO交联制备了具有良好界面形貌的DFNS/PEO混合基质膜。当DFNS的加入量为2 wt.%时,DFNS/PEO混合基质膜的CO2渗透通量为770.5 Barrers,与紫外诱导纯交联PEO膜相比,增加了95.3%。为了进一步提高所制备的混合基质膜的分离能力,制备了低分子量PEGDME-500浸渍的DFNS/PEO混合基质膜以增加混合基质膜对CO2的亲和作用,提高其在膜内的溶解能力,促进气体传输以及提高CO2选择性能。结果表明,所制备的PEGDME-500浸渍的DFNS/PEO混合基质膜具有出良好的CO2渗透性能。在PEGDME-500浸渍量为48.9 wt.%时,DFNS/PEO混合基质膜MMM-2的CO2渗透通量为2281.1 Barrer,与紫外诱导交联的纯PEO膜相比提高了478.5%。而且CO2/N2和CO2/H2选择性分别可保持高达48.1和13.7。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及研究的目的和意义
•   1.2 气体分离膜
•     1.2.1 气体分离膜发展
•     1.2.2 气体分离膜基本理论
• 2气体分离膜'>  1.3 CO₂气体分离膜
•     1.3.1 聚合物分离膜
•     1.3.2 聚合物-无机分离膜
•   1.4 聚氧化乙烯（PEO）基气体分离膜
•     1.4.1 基于PEO的交联分离膜
•     1.4.2 基于PEO的共混分离膜
•     1.4.3 基于PEO纳米复合分离膜
•   1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 实验原料及实验方法
•   2.1 实验原料及所用仪器
•     2.1.1 实验主要原料
•     2.1.2 实验主要仪器
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 交联PEO膜和杂化POSS/PEO交联膜的制备
•     2.2.2 PEG浸渍杂化POSS/PEO交联膜的制备
•     2.2.3 树枝状纤维介孔二氧化硅（DFNS）的制备
•     2.2.4 含有DFNS的 PEO基混合基质膜的制备
•     2.2.5 PEG浸渍混合基质膜的制备
•   2.3 分析表征方法
• 第3章 杂化POSS/PEO分离膜制备及其分离性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 杂化POSS/PEO交联膜的物理化学表征
•     3.2.1 杂化POSS/PEO交联膜的结构分析
•     3.2.2 杂化POSS/PEO交联膜的形貌分析
•     3.2.3 杂化POSS/PEO交联膜的XPS分析
•     3.2.4 杂化POSS/PEO交联膜的热性能分析
•   3.3 杂化POSS/PEO交联膜气体分离性能研究
• 2 含量对气体分离性能的影响'>    3.3.1 POSS-NH₂含量对气体分离性能的影响
•     3.3.2 温度对气体分离性能的影响
•   3.4 本章小结
• 第4章 低分子量PEG浸渍杂化POSS/PEO交联膜性能研究
•   4.1 引言
•   4.2 低分子量PEG浸渍杂化POSS/PEO交联膜表征
•     4.2.1 不同PEG对浸渍膜形貌影响
•     4.2.2 低分子量PEG浸渍膜的热性能研究
•   4.3 PEG浸渍杂化交联膜的气体渗透性能研究
•     4.3.1 浸渍量对浸渍膜的气体渗透性能影响
•     4.3.2 温度对浸渍膜气体渗透性能的影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 树枝状纤维介孔二氧化硅（DFNS）/PEO混合基质膜的制备及性能研究
•   5.1 引言
•   5.2 DFNS的物理化学结构表征
•     5.2.1 DFNS的形貌分析
•     5.2.2 DFNS的结构分析
•   5.3 DFNS/PEO混合基质膜的物理化学性质表征
•     5.3.1 DFNS/PEO混合基质膜的形貌表征
•     5.3.2 DFNS/PEO混合基质膜的结构表征
•     5.3.3 DFNS/PEO混合基质膜的热性能研究
•     5.3.4 DFNS/PEO混合基质膜的力学性能研究
•   5.4 DFNS/PEO混合基质膜气体渗透性能表征
•     5.4.1 DFNS含量对DFNS/PEO混合基质膜的分离性能的影响
•     5.4.2 DFNS/PEO混合基质膜内的气体溶解扩散机理
•     5.4.3 浸渍对DFNS/PEO混合基质膜的分离性能影响
•     5.4.4 浸渍DFNS/PEO混合基质膜的气体溶解扩散机理
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李松伟

导师: 邵路

关键词: 二氧化碳捕获,聚氧化乙烯,交联,浸渍,二氧化硅,混合基质膜

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 有机化工,环境科学与资源利用

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然科学基金

分类号: TQ051.893;X701

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005012

总页数: 139

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