Pebax/a-MoS2/MIP-202混合基质膜的制备及CO2分离性能

为了获得高性能的CO₂/N₂分离膜,把空气中氧刻蚀的二硫化钼（a-MoS₂）和金属有机框架材料MIP-202通过机械力化学反应制备的双功能填料作为分散相,聚醚嵌段酰胺（Pebax-1657）作为连续相,采用溶液浇铸法制备了Pebax/a-MoS₂/MIP-202混合基质膜。采用FT-IR表征了填料的化学结构,借助ATR-FTIR、SEM、TG和力学性能测试表征了混合基质膜的化学结构、微观形貌结构、热稳定性和物理力学性能。研究了水含量、双功能填料配比、含量、膜两侧压差和操作温度对膜气体分离性能的影响,并考察了模拟烟道气（CO₂/N₂体积比15/85）条件下混合基质膜的长时间运行稳定性。结果表明：在温度为25℃、膜两侧压差为0.1 MPa的操作条件下,a-MoS₂与MIP-202质量比为5∶5和双功能填料含量为6%（质量）时,膜的气体分离性能达到最优,CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性分别为380 Barrer和124.7,超过了2019年McKeown等提出的上限值。连续测试360 h后,混合基质膜的性能没有明显降低,其平均CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性分别为358 Barrer和120.1。这主要是由于a-MoS₂和MIP-202协同提高了膜的气体分离性能。     

功能化Zr-MOF强化混合基质膜CO2分离

混合基质膜（MMMs）在气体分离领域具有良好的应用前景,金属有机框架（MOFs）由于具有高孔隙率和有机连接基团,常被用作填料制备MMMs。但由于MOFs与聚合物的界面相容性问题,MMMs的气体分离性能提升受到限制。本文合成了功能化的Zr-MOF（UiO-66-AC）,并利用其与聚醚共聚酰胺（Pebax）共同制备了混合基质膜。填料中引入的羰基和羧基等基团提供了MOFs与聚合物基质之间较强的界面相互作用。与纯Pebax膜相比,UiO-66-AC/Pebax MMMs的气体渗透性能得到了显著提高。当填料质量分数为6%时,膜的CO₂渗透系数为102.4 Barrer,CO₂/N₂和CO₂/CH₄选择性分别为90.6和26.0,CO₂/N₂分离性能突破了Robeson上限(2008),表明该混合基质膜在CO₂的分离应用上具有潜力。     

Cu(Qc)2强化Pebax混合基质膜分离CO2

为了提高Pebax-1657的CO₂分离性能,本文制备了对CO₂有吸附作用的金属有机骨架Cu(Qc)₂,将其加入到Pebax-1657基质中,制备混合基质膜,用于CO₂的气体分离。通过扫描电子显微镜、热重分析、红外光谱和X射线衍射对溶液浇铸法制备的膜进行表征,通过膜的气体渗透性能测试考察填料含量、操作压力和混合气对膜气体渗透性能的影响。结果表明,Cu(Qc)₂在Pebax基质中随机有效地堆叠形成了高选择性的气体传输通道,极大地提高了CO₂/N₂的选择性。随着Cu(Qc)₂填充量的增加,CO₂渗透系数和CO₂/N₂选择性均呈现先上升后下降的趋势。当Cu(Qc)₂的质量分数为3%时,呈现最佳的CO₂/N₂分离性能,CO₂ 渗透系数和CO₂/N₂选择性分别为102Barrer和84,与Pebax-1657膜相比,分别提高了45.7%和40.0%,突破了Robeson分离上限,表明该混合基质膜在CO₂的分离应用上具有潜力。     

碳纳米管/环糊精金属有机骨架协同强化混合基质膜的CO2分离

为了实现混合基质膜中CO₂的高效分离,设计了羧基化多壁碳纳米管(CNT)和氨基化β-环糊精金属有机骨架(β-CD MOF)双填料(CM),并将其引入磺化聚醚醚酮(SPEEK)基质中,在膜内同时构建CO₂扩散通道和亲和位点,增强了混合基质膜的分离性能。采用FTIR和BET表征了CM的化学结构和孔结构,借助膜的SEM、FTIR和力学性能表征了填料-聚合物界面相互作用。研究了CM的合成比例、含量、压力、温度和混合气等因素对混合基质膜分离性能的影响。结果表明：CM与SPEEK之间具有良好的相容性并为气体分子提供了快速的传递通道。在改性CNT与MOF的质量比为5∶5、添加量为7%(质量)以及0.1 MPa和25℃的条件下,混合基质膜的分离性能最优,CO₂渗透性为844 Barrer,CO₂/N₂选择性为84,与纯SPEEK膜相比,分别提升了178%和163%,超过2019年上限。羧基化CNT的直孔通道缩短了CO₂的扩散路径,同时改性β-CD MOF表面的氨基载体提升了CO₂的溶解性,两者协同提高了混合基质膜的分离性能。此外,负载双填料的膜比单独负载相同含量的羧基化CNT或氨基化MOF的膜具有更好的分离性能。在360 h的测试过程中,混合基质膜保持较好的分离稳定性。     

碳纳米管/环糊精金属有机骨架协同强化混合基质膜的CO2分离

为了实现混合基质膜中CO₂的高效分离,设计了羧基化多壁碳纳米管(CNT)和氨基化β-环糊精金属有机骨架(β-CD MOF)双填料(CM),并将其引入磺化聚醚醚酮(SPEEK)基质中,在膜内同时构建CO₂扩散通道和亲和位点,增强了混合基质膜的分离性能。采用FTIR和BET表征了CM的化学结构和孔结构,借助膜的SEM、FTIR和力学性能表征了填料-聚合物界面相互作用。研究了CM的合成比例、含量、压力、温度和混合气等因素对混合基质膜分离性能的影响。结果表明：CM与SPEEK之间具有良好的相容性并为气体分子提供了快速的传递通道。在改性CNT与MOF的质量比为5∶5、添加量为7%(质量)以及0.1 MPa和25℃的条件下,混合基质膜的分离性能最优,CO₂渗透性为844 Barrer,CO₂/N₂选择性为84,与纯SPEEK膜相比,分别提升了178%和163%,超过2019年上限。羧基化CNT的直孔通道缩短了CO₂的扩散路径,同时改性β-CD MOF表面的氨基载体提升了CO₂的溶解性,两者协同提高了混合基质膜的分离性能。此外,负载双填料的膜比单独负载相同含量的羧基化CNT或氨基化MOF的膜具有更好的分离性能。在360 h的测试过程中,混合基质膜保持较好的分离稳定性。     

机械化学法合成小尺寸MOF填料助力高性能CO2分离

利用金属-有机骨架UTSA-280具有特定刚性尺寸的一维孔道可以筛分CO₂、CH₄、N₂的特性,采用机械化学研磨法减小其颗粒尺寸,将UTSA-280掺入聚砜（PSf）中制备MOF基混合基质膜,用于天然气提纯和烟道气CO₂捕获。结果表明,在PSf中掺入UTSA-280不仅可以增加聚合物的CO₂渗透通量而且提高了气体分离选择性。当UTSA-280掺杂量为30%（质量）时,混合基质膜对CO₂/CH₄、CO₂/N₂的分离因子分别为56.39和53.17,CO₂的渗透通量为18.61 Barrer,相对于PSf纯膜,选择性分别提高了47.3%和63.5%,CO₂渗透通量提高了128.9%,打破了“trade-off”效应。该工作通过引进具有分子筛分效应的MOF填料,能够增加气体通量的同时提高混合基质膜对含CO₂气体的分离性能,对天然气的提纯以及烟道气的CO₂的捕获有重要意义。     

聚乙烯胺/埃洛石纳米管混合基质膜的制备及其CO2/N2分离

制备高性能的气体分离膜,是实现CO₂高效回收的关键。为了提高CO₂分离膜的性能,将中空管状结构的埃洛石纳米管（HNTs）添加到聚乙烯胺（PVAm）中配制涂膜液,并将PVAm-HNTs涂膜液涂覆到聚砜（PSf）超滤膜上制备PVAm-HNTs/PSf混合基质膜。其中PSf超滤膜作为支撑层,PVAm-HNTs致密涂层作为功能层,功能层结构与形态对CO₂分离具有关键作用。采用XRD、SEM对HNTs的结构与形态进行表征,并借助FTIR和SEM对膜的形态与结构进行分析。在进料气为纯气条件下,系统地研究了HNTs添加量、进料压力、PVAm-HNTs涂层厚度对PVAm-HNTs/PSf膜的CO₂分离性能影响,并考察了混合基质膜的CO₂/N₂混合气分离性能。结果显示：在水溶液中显示正电性的PVAm与负电性的HNTs具有较好的界面相容性。HNTs添加量为1%（质量）、PVAm-HNTs湿涂层厚度为50 μm的混合基质膜,表现出最优的CO₂分离性能。在进料气压力为0.1 MPa、测试温度为25℃、CO₂/N₂（15/85,体积比）混合气进料的条件下,膜的CO₂渗透速率为178 GPU,CO₂/N₂选择性为83;该膜具有较好的稳定性,经过120 h运行后,渗透性和选择性仍能保持稳定。     

IL@ZnBDC/PI混合基质膜的制备及CO2分离性能研究

选取咪唑型离子液体修饰金属有机框架填料ZnBDC制备IL@ZnBDC纳米复合填料,通过物理共混的方式将其引入PI中制备PI-IL@ZnBDC混合基质膜。结果表明,复合填料的引入改善了填料与PI间的相容性,增加了混合基质膜的分子链间距,强化了膜内CO₂扩散过程。同时,离子液体中含有与CO₂有较强亲和作用的三氟甲基、磺酸基团和咪唑基团,促进了CO₂在膜内的溶解,进而协同强化了PI-IL@ZnBDC混合基质膜的溶解-扩散机制,提升了CO₂气体通量和选择性。相较于纯PI膜,PI-IL@ZnBDC-2膜表现出优异的气体分离性能,CO₂的渗透系数为10.97 Barrer, CO₂/CH₄的选择性为42.21,分别较纯膜提升了59.9%和41.5%。     

PEBA/氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备及CO2分离性能研究

为了获得高性能的混合基质膜,有效捕集烟道气中的CO₂,设计了对CO₂有优异的扩散选择性和吸附选择性的氮硫共掺杂多孔碳球添加剂,实现了烟道气中CO₂/N₂的高效分离。选用表面含氧基团丰富的葡萄糖作为碳源,硫脲作为氮源和硫源,通过水热法制备了氮硫共掺杂碳球（NSC）,并用KOH活化,获得了具有多孔结构的氮硫共掺杂碳球（NSPC）,再加入聚醚嵌段酰胺（PEBA）中制备出PEBA/NSPC混合基质膜。采用FTIR、XRD和BET表征了材料的化学结构和孔结构,借助力学性能表征了膜的两相界面相容性。系统研究了PEBA/NSPC混合基质膜中葡萄糖与硫脲的质量比、NSC和KOH的质量比、NSPC的添加量、操作压力、操作温度,以及模拟烟道气条件对膜CO₂渗透性、CO₂/N₂选择性的影响。结果表明：NSPC材料成功实现了氮、硫元素的共掺杂,而且具有较好的孔结构。在操作温度25℃、操作压力0.2 MPa的条件下,混合基质膜中NSPC添加量为3%（质量）时气体分离性能最优,CO₂渗透系数和CO₂/N₂选择性分别为589 Barrer和64,相比纯PEBA膜分别提高了244%和139%。这是因为多孔碳球的微孔结构显著提高了CO₂的扩散选择性,同时氮、硫元素的掺杂因为酸碱相互作用和良好亲和性有效提高了CO₂的吸附选择性。稳定性实验表明,PEBA/NSPC混合基质膜在360 h连续运行过程中气体分离性能稳定,具有较好的工业应用前景。     

SPEEK/PSI半互穿网络共混膜的制备及其CO2分离研究

为了获得高性能的气体分离膜，实现烟道气中CO₂/N₂高效分离回收，以磺化聚醚醚酮（SPEEK）和聚琥珀酰亚胺（PSI）为原料，己二胺为交联剂，原位交联反应制备富含氨基的半互穿网络共混膜，在膜内构建CO₂传递通道和亲和位点，并采用红外光谱对共混膜的结构进行表征。研究水含量、PSI用量和进料气压力对膜气体分离性能的影响，在混合气条件下考察其气体分离性能和长时间运行稳定性。研究结果表明：SPEEK与PSI两相界面相容性较好，它们之间存在较强的相互作用，且呈半互穿网络微结构；PSI含量为60%（质量）时，纯气和混合气条件下CO₂渗透性分别为652和601 Barrer，对应的CO₂/N₂选择性为67.6和60.3，优于纯SPEEK膜，且超过2008年的Robeson上限；共混膜运行360 h后，CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性仍然稳定。这主要是因为SPEEK与PSI形成富含氨基的半互穿网络微结构后，一方面提供了CO₂促进传递载体；另一方面，增强了共混膜的保水性能，形成大量CO₂传递水通道。     

Preparation of SPEEK/PSI semi-interpenetrating network blend membrane and its CO2 separation

To obtain high-performance gas separation membranes and realize high-efficiency separation and recovery of CO₂/N₂ in flue gas, the amino-rich semi-interpenetrating network blend membranes were prepared by in-situ crosslinking reaction, which provided CO₂ transport channels and affinity sites. Sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK) and polysuccinimide (PSI) were used as raw materials, and hexamethylenediamine was crosslinking agent. The structure of the blend membranes was characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy. The effects of water content, PSI dosage and feed gas pressure on the gas separation performance were studied, and its gas separation performance and the long-time stability were investigated under mixed gas conditions. The results showed that SPEEK and PSI have a good compatibility, and there is a strong interaction between them, which exhibited the semi-interpenetrating network microstructure in the membranes. When the PSI loading is 60%(mass), the CO₂ permeability of pure gas and mixed gas are 652 and 601 Barrer, respectively, and the corresponding CO₂/N₂ selectivity is 67.6 and 60.3, which is better than that in pristine SPEEK membrane, surpassing 2008 Robeson upper bound. The CO₂ permeability and CO₂/N₂ selectivity are still stable after 360 h durability test of SPEEK/PSI-60 blend membrane. This is mainly due to the formation of the amino-rich semi-interpenetrating network microstructure between SPEEK and PSI, which not only provides CO₂ facilitated transport carriers, but also enhances the water retention performance of the blend membranes and forms a large number of CO₂ transport water channels.     

用于CO2/CH4分离的cPIM-1/ZIF-8混合基质膜的制备

自聚微孔聚合物（PIM-1）虽具有良好的CO₂渗透性能，但其气体选择性普遍较差，限制其在CO₂/CH₄分离领域的应用。本文以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂制备ZIF-8纳米粒子，将其引入到羧基化的PIM-1基质中，制备了cPIM-1/ZIF-8混合基质膜，用于CO₂/CH₄分离。结果表明：由于合成ZIF-8的溶剂也是cPIM-1的良溶剂，使得两者之间具有良好的界面相容性，从而使ZIF-8添加量高达质量分数45%。随着ZIF-8添加量的增加，膜的CO₂渗透速率持续增加，CO₂/CH₄选择性呈现先上升后下降的趋势。当ZIF-8添加量为质量分数25%时，膜的CO₂/CH₄分离性能最好，即CO₂渗透系数为3942 Barrer，CO₂/CH₄选择性为18.7，较cPIM-1纯膜分别提高了 84%和43%，成功地超越了Robeson分离上限。     

GO-TSC/聚酰亚胺混合基质膜的制备及气体分离性能研究

使用氨基硫脲（TSC）对氧化石墨烯（GO）进行改性,制备GO-TSC层状复合材料。随后,将该复合材料加入到Matrimid^®5218（PI）基质中,制备用于二氧化碳分离的混合基质膜（MMMs）。通过TGA、SEM及气体分离性能测试考察了GO-TSC对膜热稳定性、结构和气体分离性能等的影响。SEM结果显示GO-TSC可均匀分散在聚合物基质上并与基质紧密结合;TGA结果显示混合基质膜在250 ℃以上仍保持稳定。与纯PI膜相比,MMMs显著增强了二氧化碳的渗透性。GO-TSC中所含的氨基与二氧化碳具有良好的亲和力,增加的碱性位点可以有效地转运二氧化碳。GO-TSC的层状结构增加了气体的传输路径,不利于大动态直径气体（甲烷、氮气）的通过,从而提高了分离性能。GO-TSC负载量为0.75%（质量分数）时混合基质膜的分离性能最佳。相比较纯PI膜,混合基质膜的二氧化碳渗透系数和二氧化碳/甲烷、二氧化碳/氮气分离系数分别提高了42.16%、95.79%和83.72%。