Pebax气体分离膜制备及其用于沼气提纯的研究

以聚醚共聚酰胺(Pebax)为分离层膜材料,采用浸渍涂覆法制备复合气体分离膜,考察了Pebax复合膜对CH_4、CO_2和H_2S等纯气以及一系列浓度的CO_2/CH_4混合气的渗透分离性能,并采用螺旋卷式膜分离器错流模型模拟分析Pebax气体分离膜用于沼气提纯的技术可行性.实验结果表明,Pebax膜具有较高的CO_2渗透通量和CO_2/CH_4分离系数.由于CO_2的增塑作用,复合膜对CO_2/CH_4混合气的分离系数小于其理想分离系数;不同浓度混合气中CO_2与CH_4的渗透通量随原料气中CO_2分压的增大而增大,而与原料气中CO_2的浓度无关.Pebax单级膜分离的沼气提纯效果受切割比、压力比等操作条件以及原料气组成等因素的影响,通过设计两级Pebax膜分离工艺可将CH_4富集到95%以上,同时回收90%的CH_4,改进膜工艺参数可获得更高的提纯效果,证明Pebax复合气体分离膜用于沼气提纯CH_4是可行的.     

改性ZIF90-Pebax混合基质膜的制备及CO_2分离性能

以骨架结构极稳定的ZIF-90作为掺杂材料,通过后合成修饰(PSM)技术使用不同链长结构的胺烷对ZIF-90进行表面修饰,并探究不同链长结构的改性剂及其用量对ZIF-90与其Pebax基混合基质膜气体分离性能的影响.实验发现,胺烷的改性不仅不会改变ZIF-90的晶体结构,还能够在ZIF-90表面形成"绒毛"状结构,形成有机-有机高相容的界面.除此之外,该"绒毛"结构虽然会降低填料本身的比表面积及孔体积,但是在合适的长度与数量下会与聚合物产生某种特殊的有益于气体分离的相互作用,可以明显提高混合基质膜的分离性能.使用正丙胺改性的PZ90/Pebax系列混合基质膜相较于纯ZIF-90/Pebax, CO_2/N_2选择性与CO_2渗透性都有不同程度的提高,改性程度为20%时分离性能最佳,CO_2/N_2选择性为70,CO_2渗透率达到140 Barrer,与纯Pebax相比分别提高了45.8%和79.4%,接近2008年Robeson上限.     

聚醚共聚酰胺/聚乙二醇共混膜的制备及其气体渗透性能的研究

以聚醚共聚酰胺(Pebax1074)嵌段共聚物和分子量为400的聚乙二醇(PEG400)为膜材料,采用聚合物共混和流延成膜的方法,制备出不同质量比的均一透明Pebax1074/PEG400共混均质膜.PEG400作为塑化剂与Pebax1074共混之后,改变了聚合物链段的活动性,增加了醚氧键的含量,使N2、H2、CH4和CO2渗透系数以及CO2对其它气体的选择性都得到了增加.操作条件对气体在共混膜中的渗透性能也有较大的影响.由于塑化效应的作用,膜两侧的压差对CO2和非极性气体的渗透系数影响不同,并且随共混膜中PEG400含量的变化而变化.气体在共混膜中的渗透系数随操作温度的升高而增大,通过Arrhenius方程可把渗透通量与温度联系起来.     

底膜表面粗糙度对Pebax/PAN复合膜性能的影响

采用粗糙度仪对聚丙烯腈(PAN)底膜表面粗糙度进行表征,研究了PAN底膜表面粗糙度对聚酰胺-聚醚嵌段共聚物(Pebax)复合膜性能的影响.发现在考察的范围内,涂层液浓度与底膜表面粗糙度共同作用,影响复合膜的分离性能.Pebax复合膜的CO_2/N_2选择性随底膜表面粗糙度的增加而下降,且选择性数据的波动也随之增大.     

光还原对固体聚合物电解质膜结构及丙烯/丙烷分离性能的影响

用单侧表面溶液交换法制备PEI/Pebax2533/AgNO3及PEI/Pebax2533/AgBF4复合气体分离膜,研究了光还原对复合膜结构及气体渗透性能的影响.对PEI/Pebax2533/AgBF4 复合膜,光还原使活性载体Ag+浓度降低,对烯烃的促进传递作用减弱,导致丙烯渗透通量以及丙烯/丙烷的选择性明显下降.但光还原对PEI/Pebax2533/AgNO3复合膜的丙烯/丙烷分离性能无显著影响.复合膜中的Ag+被光还原为Ag0,使复合气体分离膜表面变为棕色.还原后的银颗粒含量随着交换溶液银盐浓度的增加而增加,证明交换溶液银盐的浓度明显支配着复合膜中的Ag+负载含量,从而影响膜的分离性能.     

过渡层对Pebax/PAN复合膜孔渗现象的影响研究

选用聚丙烯腈(PAN)超滤膜作底膜,以乙醇/水混合液作为Pebax的溶剂,采用浸渍涂层(dip coating)的方法制备Pebax/PAN复合膜.发现直接在PAN底膜上涂覆Pebax制备Pebax/PAN复合膜会导致涂层液的孔渗.本文借助理论模型分析孔渗深度对Pebax/PAN复合膜渗透速率的影响.研究表明,微小的孔渗深度也会对复合膜的整体气体渗透速率造成显著的影响.引入氨基硅氧烷与PDMS共混过渡层来解决孔渗问题,结果证实,引入该过渡层后,Pebax/PAN复合膜的气体渗透速率明显提高,而CO_2/N_2选择性基本保持不变.     

聚醚共聚酰胺-三醋酸甘油酯多层复合气体分离膜的制备及其分离性能

以聚醚共聚酰胺Pebax1074为分离层主体膜材料,以三醋酸甘油酯(GTA)为添加剂,制备具有超薄分离层的Psf/PDMS/Pebax1074和Psf/PDMS/Pebax1074-GTA/PDMS多层复合气体分离膜.考察了Pebax1074和GTA浓度、温度、压力等条件对H2、N2、CH4和CO2等在复合膜中的渗透性能的影响.结果显示,随Pebax1074浓度的增大,Psf/PDMS/Pebax1074膜对气体的渗透通量急剧下降,气体选择性逐渐增大至接近Pebax1074本征值.当GTA质量分数大于50%,Psf/PDMS/Pebax1074-GTA复合膜的气体渗透通量大幅增加,而气体选择性不高.利用硅橡胶对复合膜表面保护后,气体选择性接近Pebax1074材料本征值.Psf/PDMS/Pebax1074-GTA/PDMS多层复合膜对CO2具有较高的渗透通量和较高的选择性.CO2对多层复合膜存在塑化效应,渗透通量随压差增大而增大;随着操作温度的升高,H2、N2、CH4和CO2在复合膜中的渗透通量显著增大,而CO2/(N2、CH4、H2)的分离系数减小.     

基于ZIF-8固定载体复合膜的制备及CO_2分离性能研究

制备高效分离CO_2/N_2的气体分离膜一直是气体膜分离领域中的研究热点.采用简便的滴涂制膜方法,以聚砜(PSf)超滤膜为底膜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)为过渡层,在制备PVAm-PEA分离功能层过程中直接引入ZIF-8纳米颗粒,制备了高选择性分离CO_2/N_2的新型固定载体复合膜.通过表征和性能测试,考察分析ZIF-8及其含量对复合膜形貌与气体渗透性能的影响.结果表明,ZIF-8颗粒的加入使复合膜表面形貌较空白膜粗糙,CO_2渗透速率降低了43%,CO_2/N_2分离因子增加了220%.在0.1 MPa条件下,ZIF-8质量分数为0.05%时,CO_2渗透速率为59 GPU,CO_2/N_2分离因子为202.     

γ射线对聚酰亚胺膜结构及气体分离性能的影响

采用~(60)Co-γ射线对聚酰亚胺膜进行辐照,通过傅里叶变换红外光谱、热失重分析、压差法气体渗透性能测试等方法对聚酰亚胺气体分离膜结构、热性能和气体分离性能进行表征,考察γ射线辐照对于聚酰亚胺气体分离膜性能的影响。结果表明:γ射线辐照导致聚酰亚胺膜分子结构发生了一些改变,辐射过程中发生开环反应,辐射效应以分子链断裂为主。CO_2气体通过聚酰亚胺膜的渗透系数P(CO_2)远远高于O_2、N_2以及CH_4气体的渗透系数P(O_2)、P(N_2)和P(CH_4);吸收剂量达到50kGy时,单一气体(O_2、N_2、CO_2、CH_4)通过聚酰亚胺膜的渗透系数均达到最大值;随着吸收剂量的增加,聚酰亚胺分离膜对CO_2/CH_4体系的分离效果越来越好。     

聚醚共聚酰胺膜的制备与分离性能

以橡胶态聚醚共聚酰胺(Pebax1074)嵌段共聚物为膜材料,采用流延法制备亲水性无缺陷的Pebax1074均质膜.由于Pebax1074嵌段高分子中的聚环氧乙烷(PEO)链段对CO2分子的亲和性,Pebax1074膜对CO2/非极性气体分离体系有较高的分离性能.CO2渗透系数由于增塑作用随膜两侧压差的增大而显著增大,且温度越低增塑作用越大;而N2、CH4和H2等非极性气体的渗透系数由于流体静力学压力效应随膜两侧压差增大略有减小,温度越高流体静力学压力效应越弱.N2、CH4、H2和CO2在Pebax1074膜中的渗透系数均可用Arrhenius方程描述,且随着压力的升高,CO2的渗透活化能下降,而N2、CH4和H2非极性气体的渗透活化能升高.     

聚乙烯基胺/聚乙烯醇/碳纳米管杂化膜的制备及气体分离性能

以聚砜(PS)超滤膜为支撑层,首先制备聚乙烯基胺(PVAm)/聚乙烯醇(PVA)复合膜,考察PVAm与PVA的组成及铸膜液固含量对膜渗透选择性能的影响.当PVAm/PVA为7/3,固含质量分数为8%时,复合膜的性能最好,0.2 MPa下,CO_2渗透速率为35.5GPU[1GPU=10~(-6) cm~3(STP)/(cm~2·s·cmHg)],CO_2/N_2的分离系数为123.6.其次,在上述最佳条件中添加不同类型的多壁碳纳米管(MWCNT、MWCNT-OH和MWCNT-COOH),考察碳纳米管含量及表面基团对气体分离性能的影响,并利用红外分析、X-射线衍射及扫描电镜考察所制备杂化膜的化学结构、结晶性能.结果表明,添加表面—OH和—COOH改性的MWCNT可以有效提高膜的透过分离性能.当MWCNT-OH和MWCNT-COOH质量分数均为1%时,CO_2渗透速率分别为62.0和76.6GPU,CO_2/N_2的分离系数分别为117.7和139.5.最后,考察进料气压力对杂化膜CO_2渗透速率及CO_2/N_2的分离系数的影响,在0.2~1.8 MPa的压力范围内,添加表面改性的碳纳米管均能使复合膜的CO_2渗透速率提高.     

分子模拟研究气体在4种膜材料中的分离行为

利用分子模拟技术,从分子水平上研究CO_2/N_2在4种常见高分子膜材料中的渗透机理与分离性能.通过分子动力学方法和蒙特卡罗方法对材料的微观性质和CO_2/N_2在4种材料中的溶解扩散过程进行模拟计算.将计算结果与文献值对比,结果显示具有一致性.材料的微观作用决定材料在气体分离方面的宏观性能,计算结果从微观角度揭示了材料分子结构的自由体积尺寸越大,气体在材料中的扩散性能越强;而材料中空穴的数量越多,气体在材料中的溶解性能越好.计算结果表明,本文模拟的两种橡胶态聚合物具有高灵活性的分子链和较小的内聚能密度,而两种玻璃态聚合物则与之相反,这使得CO_2/N_2在两种橡胶态聚合物中的渗透性能大于其在两种玻璃态聚合物中的渗透性能.     

聚双酚A二炔丙基醚的制备及其气体分离性能

采用氧化偶合的方法制备了聚双酚A二炔丙基醚(PAPE),采用~1H NMR和~(13)C NMR表征了PAPE的结构,探究了反应物浓度、氧气流量和反应时间对产物分子量的影响,采用DSC和TGA表征了PAPE的热性能。通过溶液浇铸法得到PAPE膜,研究了膜的力学性能和气体分离性能。研究结果表明,PAPE的数均分子量随双酚A二炔丙基醚(BADPE)的浓度和反应时间的增加而增加,在甲苯、THF和DMF等溶剂中具有优良的溶解性;N_2中5%热失重温度(T_(d5))为355℃;PAPE的分子量越大,其膜的拉伸性能和气体分离性能越好,PAPE的拉伸强度可达12.2MPa,断裂伸长率为96.8%;在160℃固化8min,膜的拉伸强度增长了500%左右,达76.2MPa;PAPE膜对CO_2的亲和性最好,膜的CO_2渗透系数P(CO_2)为2.1barrer,分离系数α(CO_2/N_2)为14.9。     

聚醚共聚酰胺复合气体分离膜对CO2/N2分离性能的研究

以烟道气中CO2的捕集为研究背景,以聚醚共聚酰胺Pebax1657嵌段共聚物为选择层膜材料,采用浸渍涂覆法,制备具有超薄分离皮层的PEI/PDMS/Pebax1657/PDMS多层复合气体分离膜,研究复合气体分离膜对CO2/N2混合气的分离特性.由于CO2的增塑作用,复合膜对CO2/N2混合气的分离系数为40左右,低于其理想分离系数.操作压力和原料气中CO2浓度对复合膜的渗透分离性能以及混合气的分离效果影响显著.在实际应用中,可通过调节膜两侧操作压力来提高CO2的富集浓度.     

自聚微孔聚合物低温碳捕集性能研究

膜法CO_2捕集是解决当今世界碳排放的一个重要方法,低温膜分离是近年来兴起的一种高效CO_2分离技术.本研究结合了自聚微孔聚合物高CO_2透过率和低温下聚合物膜材料高CO_2/N_2选择性的特点来同时获得高CO_2透过率以及CO_2/N_2选择性的聚合物膜材料.首次探讨了高比表面自聚微孔聚合物PTMSP以及PIM-1在低温下CO_2透过率以及CO_2/N_2的选择性之间的关系和内在影响因素.其中,PTMSP表现出CO_2的透过率和CO_2/N_2的选择性随温度降低而同时增加.在-30℃时,PTMSP的CO_2的透过率为25 492 Barrer, CO_2/N_2的选择性为34,分离性能远超过最新的2019年上限.同时对其CO_2/N_2(体积比15/85)混合气的低温(-30℃)研究表明,混合气中CO_2的渗透率在20 000 Barrer以上,CO_2/N_2选择性约为32,是到目前为止最优秀的碳捕集膜材料之一.以上研究显示了PIM材料在低温下具有良好的碳捕集应用潜力.     

氨基功能化聚醚砜气体分离膜对CO_2/N_2、CO_2/CH_4分离性能研究

以四甲基联苯二酚、二氯二苯砜和二氟二苯甲酮为单体通过缩聚合成聚醚砜,再经过溴化和氨化制备了氨基功能化的聚醚砜,通过核磁和红外对其结构进行了表征。探讨了操作条件对CO_2、N_2和CH_4等3种气体在膜中渗透性能的影响。结果表明:氨化后的聚醚砜对CO_2的渗透性能及CO_2/N_2、CO_2/CH_4的分离效果影响显著。     

基于压差原理研究包装材料中气体的渗透行为

目的通过研究不同气体在包装材料中渗透行为的差异及影响因素,以探讨包装材料的适用性,为改善薄膜的分离效果提供参考。方法采用压差法分别测试O_2,N_2,CO_2在BOPP,PET,PE薄膜样品中的气体渗透性,并利用时间滞后法计算出气体的扩散系数,通过对气体透过系数和扩散系数的计算获得溶解度系数。结果 3种薄膜的气体透过系数、溶解度系数的大小顺序均为CO_2O_2N_2,扩散系数在BOPP,PE膜中的关系为O_2CO_2N_2,在PET膜中的关系为O_2N_2CO_2;得到了BOPP,PET,PE薄膜中气体透过系数的比值,CO_2/O_2分别为2.7,3.8,3.7,CO_2/N_2分别为14.4,25.0,14.3。结论气体分子直径及其与薄膜分子的相互作用是影响气体扩散系数的主要因素,气体临界温度及分子间的相互作用是影响溶解度系数的主要因素;在扩散系数和溶解度系数的共同作用下,气体在3种薄膜中的渗透由快到慢依次为CO_2,O_2,N_2。另外,PET,PE对CO_2,O_2的分离能力较好,PET对CO_2,N_2的分离能力最好。     

一种新型固体聚合物电解质复合气体分离膜的制备及气体透过性能的研究

采用单侧溶液交换法,把PEI/Pebax2533复合膜的Pebax2533外表面与AgBF4交换溶液接触,利用Ag+与Pebax2533分子链段中醚氧键之间的络合作用,将Ag+固定在PEI/Pebax2533复合膜中,从而制备了PEI/Pebax2533/AgBF4固体聚合物电解质复合气体分离膜.通过改变AgBF4交换溶液的浓度来调节复合膜表面银离子的负载量,控制复合膜对丙烯/丙烷的分离性能.随着AgBF4交换溶液浓度的增加,复合膜对烯烃出现明显的促进传递现象,塑性效应明显减弱.当AgBF4交换溶液浓度为8.0 mol/L时,PEI/Pebax2533/AgBF4复合膜丙烯/丙烷的分离系数远远超过1 000,塑性效应基本受到抑制.     

改性石墨烯材料掺杂聚酰亚胺制备混合基质膜分离CO_2/N_2

海洋石油生产平台日常产生大量CO_2温室气体,对其进行分离捕集并回注地层,可有效改善原油流动性,提高原油产收率,产生可观的经济效益及环保社会效益.聚酰亚胺(PI)是目前最具有应用价值的气体分离膜材料,因受Robeson上限的限制,很难同时满足高渗透系数和高选择性的要求.使用氧化石墨烯(GO)和还原氧化石墨烯(rGO)对聚酰亚胺进行掺杂制备混合基质膜,进行了CO_2/N_2气体分离的实验研究.结果表明,制备的氧化石墨烯掺杂的聚酰亚胺混合基质膜(PI-GO)和还原氧化石墨烯掺杂的聚酰亚胺混合基质膜(PI-rGO)相比于纯聚酰亚胺膜,分离性能明显提升;对比混合气干湿态气体渗透性能,混合气湿态时PI-rGO膜的渗透系数和分离因子分别上升了13.52%和24.34%.     

过渡金属盐—聚砜共混膜的形态结构及其气体渗透性

过渡金属(Cu、Co、Cr、Fe、Mn)的盐添加到聚砜中形成的薄膜通过红外光谱分析和扫描电镜的观察,它们是属于非均相的共混微孔膜。过渡金属盐的存在显著提高了膜对各种气体(H_2、N_2、O_2、CO、CO_2)的选择吸附性和透气性,特别适合于混合气H_2/CO 的分离,是一类很有工业应用前途的促进输送气体分离膜。