微孔二氧化硅膜的制备、氢气分离以及水热稳定性研究

利用溶胶-凝胶法在Υ-Al₂O₃/α-Al₂O₃多孔支撑体上合成了微孔二氧化硅膜,并用IR、TG、FESEM、N₂吸附以及气体渗透等手段对二氧化硅膜进行了研究.结果表明,200℃时H₂的渗透率达到2.3×10^-7mol·m^-2·Pa^-1·s^-1,H₂/CO₂的分离系数为8.0,然而当二氧化硅膜长期暴露于潮湿环境时,由于水气与孔表面羟基相互作用引起二氧化硅膜孔结构的崩溃,最终导致H₂渗透率和H₂/CO₂分离系数剧烈下降.     

增强微孔二氧化硅氢气分离膜疏水性的研究现状

综述了提高微孔二氧化硅膜疏水性的方法以及微孔二氧化硅膜材料在氢气分离方面的应用.孔表面羟基是导致微孔二氧化硅膜亲水的主要原因,因此在溶胶-凝胶反应阶段用疏水基团来修饰溶胶,可以在最终材料的孔表面引入疏水基团,降低羟基浓度,从而提高其疏水性.修饰后的二氧化硅膜孔结构没有显著的变化,可以应用于氢气分离等领域.     

氢气分离膜研究进展

氢气是重要的工业原料和清洁燃料,氢气分离具有重要的经济和社会价值;膜分离法装置结构简单、转换高效、投资成本低且环境友好,在氢气分离领域应用前景广阔;氢气分离膜的性能是影响氢气分离过程效率的决定性因素,因而氢气分离膜技术研究一直是国内外膜领域的热点方向。本文阐述了氢气分离膜的应用需求、基本机理,系统梳理了致密金属膜、无机多孔膜、金属-有机框架（MOF）膜、有机聚合物膜、混合基质膜的研究进展。研究发现,尽管无机多孔膜、有机聚合物膜、混合基质膜等具有良好的氢气分离纯化性能,但在分布式、小型化的应用场景下的分离性能仍待改进提高;提高钯基金属膜的抗毒化性能、优化膜的性价比,是促进工业应用的有效手段;整合无机多孔膜、MOF膜的优点,可促进分子筛分机制膜的性能跃升;有机聚合物膜的耐温、机械等性能仍需提高;对现有高分子膜材料进行改性、制备高分子合金,是开发新型气体分离膜的重要方向;混合基质膜在进行可控调节排布后,将显著提高膜性能。多种氢气分离膜的研究和应用,支撑了氢气分离纯化过程的发展,在材料种类丰富、制备工艺进步后将发挥更大的工程价值。     

憎水二氧化硅膜的制备、表征及水热稳定性研究

用甲基三乙氧基硅烷(MTES)代替部分正硅酸乙酯(TEOS)作为前驱物,通过共水解缩聚反应可制得甲基修饰的二氧化硅膜.通过TGA、FTIR以及气体渗透等测试手段对甲基修饰的SiO₂膜进行研究,发现随着MTES/TEOS摩尔比例的增大,二氧化硅膜的憎水性能逐渐增强,当MTES/TEOS达到0.8时,二氧化硅膜的孔表面几乎不再吸附水气.氢气在MTES/TEOS为1的支撑体二氧化硅膜的输运受温度的控制,200℃时H₂的渗透率达到6.0×10^-7mol·m^-2.Pa^-1·s^-1,H₂/CO₂分离系数达到6.0,于200℃以及水蒸气压力为3564Pa的环境中陈化近110h后H2渗透率基本保持不变,H₂/CO₂分离系数有所增大,说明经过甲基修饰的二氧化硅膜比纯二氧化硅膜具有更好的水热稳定性.     

氢气分离膜材料的研究现状

膜法氢气分离技术作为一种绿色分离技术,具有环保、节能、占地面积小、操作简单、运行成本低等优点,是一种极具竞争力的新型氢气净化分离技术.本文概述了氢气分离膜的研究现状,总结了常用的氢气分离膜材料,重点介绍了聚合物氢气分离膜材料的研究进展,对氢气分离膜材料的发展进行了展望.     

氢气分离膜在天然气处理中的应用研究

在天然气的开采过程中,有大量的二氧化碳,开采出来的天然气往往不能直接作为工业燃料直接使用,必须经过脱二氧化碳处理。本文介绍了氢气分离膜的一种全新的用途,利用其可优先透过二氧化碳的性质将其应用到天然气处理的过程中。     

苯基修饰微孔SiO2膜的氢气分离和水煤气变换反应性能

通过正硅酸乙酯与苯基三乙氧基硅烷共水解缩聚反应制备苯基修饰SiO2膜,研究膜材料的氢气渗透和分离性能,并将其作为膜反应器的关键材料应用于水煤气变换反应.结果表明,氢气在苯基修饰SiO2膜中的渗透率随着温度的升高而增大,遵循活化扩散机理,300℃下H2渗透率达到4.67×10-7 mol/(m2·s·Pa),理想分离系数H2/CO、H2/CO2和H2/SF6分别达到10.54、10.50、21.16.在300℃,反应物H2O/CO摩尔比为2∶1的条件下进行水煤气变换反应,膜反应器的CO的转化率比传统固定床反应的CO的转化率高约12％,其原因是苯基修饰的SiO2膜对H2具有一定的选择性.     

选择性分离二氧化碳和氢气的聚合物膜

为了降低二氧化碳排放量，作为防止气候变化的对策，分离、吸收和固定CO：气体则非常重要。氢气作为清洁能源具有良好的发展前景，但水和一氧化碳通过水一气转换反应制备氢气同样能产生二氧化碳，因此二氧化碳必须加以回收和去除。     

十七氟癸基修饰的疏水二氧化硅膜材料的制备及氢气分离性能

通过溶胶-凝胶法,以正硅酸乙酯(TEOS)和十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)为前驱体,在酸性和洁净室条件下制备了十七氟癸基修饰的SiO2膜材料,分别通过动态光散射技术、接触角测量、红外光谱以及热重分析等测试手段对溶胶的粒径分布及膜材料的疏水性能进行了表征,并深入研究了十七氟癸基修饰后膜材料的氢气渗透和分离性能.结果表明,当摩尔比n(PFDTES)/n(TEOS)=0.2时,溶胶的粒径狭窄分布在3.9nm.十七氟癸基已成功修饰到SiO2膜材料中,十七氟癸基的修饰使得膜材料从亲水性变为疏水性,在上述摩尔比例下,膜材料对水的接触角达到112.0°±0.6°.H2的单组分渗透率随温度的升高而增大,300℃时达到10.00×10-7 mol/(m2·s·Pa),H2/CO2的单组分理想分离系数及双组分分离系数分别达到6.10和13.30,均高于其Knudsen扩散分离因子(4.69),H2在膜材料中的输运主要遵循活化扩散机理.     

新型无机二维材料在气体分离膜领域的研究进展

气体膜分离技术是过滤与分离工业的重要技术之一,相比于传统分离技术更加高效、节能、环保。新型无机二维材料在分离膜领域的应用,有望同时实现高选择性和高渗透率,突破商业聚合物膜渗透率和选择性相互制约的瓶颈,极大地促进高性能分离膜的发展。本文简述了膜的气体分离机制,综述了石墨烯基、过渡金属硫族化物(TMDs)和二维过渡金属碳化物/氮化物(MXene)等新型无机二维材料近年来在气体分离膜领域的研究进展,包括其设计、制造和应用,探讨了不同材料分离膜的特点、面临的挑战和发展前景。此外,本文对其他新兴二维材料——层状双氢氧化物(LDHs)、六方氮化硼(h-BN)、云母纳米片等的分离膜研究也进行了概述。最后,对新型无机二维材料在气体分离膜领域的研究方向及面临的挑战作出了评价。     

热致相分离法制备聚烯烃微孔膜

热致相分离（TIPS）法是目前制备聚合物微孔膜的重要方法之一。其制膜方法简单有效，突破了传统非溶剂诱导相分离制膜方法对膜材料本身的限制。介绍了热致相分离法制备微孔膜的基本步骤，综述了近年来采用热致相分离法制备聚烯烃微孔膜的研究现状及进展。     

Polycrystalline Advanced Microporous Framework Membranes for Efficient Separation of Small Molecules and Ions

Advanced porous framework membranes with excellent selectivity and high permeability of small molecules and ions are highly desirable for many important industrial separation applications. There has been significant progress in the fabrication of polycrystalline microporous framework membranes (PMFMs) in recent years, such as metal–organic framework and covalent organic framework membranes. These membranes possess small pore sizes, which are comparable to the kinetic diameter of small molecules and ions on the angstrom scale, very low thickness, down to tens to hundreds of nanometers, highly oriented crystalline structures, hybrid membrane structures, and specific functional groups for enhancing membrane selectivity and permeability. Recent advances in the fabrication methods of advanced PMFMs are summarized. Following this, four emerging separation applications of these advanced microporous framework membranes, including gas separation, water desalination, ion separation, and chiral separation, are highlighted and discussed in detail. Finally, a summary and some perspectives of future developments and challenges in this exciting research field are presented.     

热致相分离法制备的聚苯醚微孔膜及其形态

选择聚苯醚作为锂离子电池用耐高温隔离膜制备膜材料,以环己醇为溶剂,采用热致相分离法(TIPS)制备聚苯醚微孔膜。绘制了聚苯醚/环己醇体系的热力学相图,并研究了聚合物含量、冷却速度、结晶粗化时间等对最终微孔膜形态的影响。聚苯醚/环己醇体系冷却时存在液-液相分离区域,偏晶点约为57.5%。微孔大小随着聚合物含量与冷却速率的增大而变小。对聚苯硫醚进行了充分的晶体粗化,将产生大量大颗粒球晶,蜂窝状微孔减少。研究表明,选择合适的成膜条件及配方,可以制备具有蜂窝状微孔且孔径均匀、孔径范围为0.1μm～1μm的聚苯醚微孔膜,可适用于锂离子电池隔离膜。     

无机纳滤膜的研究进展

无机纳滤膜具有良好的生物和化学稳定性,对有机溶剂具有很好的抵抗性,在众多领域有广阔的应用前景.概述了无机纳滤膜的发展过程、制备方法、表征参数及其主要的应用领域;分析了无机纳滤膜今后应解决的主要问题,预测了其未来的发展趋势.     

Engineered Transport in Microporous Materials and Membranes for Clean Energy Technologies

Many forward‐looking clean‐energy technologies hinge on the development of scalable and efficient membrane‐based separations. Ongoing investment in the basic research of microporous materials is beginning to pay dividends in membrane technology maturation. Specifically, improvements in membrane selectivity, permeability, and durability are being leveraged for more efficient carbon capture, desalination, and energy storage, and the market adoption of membranes in those areas appears to be on the horizon. Herein, an overview of the microporous materials chemistry driving advanced membrane development, the clean‐energy separations employing them, and the theoretical underpinnings tying membrane performance to membrane structure across multiple length scales is provided. The interplay of pore architecture and chemistry for a given set of analytes emerges as a critical design consideration dictating mass transport outcomes. Opportunities and outstanding challenges in the field are also discussed, including high‐flux 2D molecular‐sieving membranes, phase‐change adsorbents as performance‐enhancing components in composite membranes, and the need for quantitative metrologies for understanding mass transport in heterophasic materials and in micropores with unusual chemical interactions with analytes of interest.     

MXene Materials for Designing Advanced Separation Membranes

MXenes are emerging rapidly as a new family of multifunctional nanomaterials with prospective applications rivaling that of graphenes. Herein, a timely account of the design and performance evaluation of MXene-based membranes is provided. First, the preparation and physicochemical characteristics of MXenes are outlined, with a focus on exfoliation, dispersion stability, and processability, which are crucial factors for membrane fabrication. Then, different formats of MXene-based membranes in the literature are introduced, comprising pristine or intercalated nanolaminates and polymer-based nanocomposites. Next, the major membrane processes so far pursued by MXenes are evaluated, covering gas separation, wastewater treatment, desalination, and organic solvent purification. The potential utility of MXenes in phase inversion and interfacial polymerization, as well as layer-by-layer assembly for the preparation of nanocomposite membranes, is also critically discussed. Looking forward, exploiting the high electrical conductivity and catalytic activity of certain MXenes is put into perspective for niche applications that are not easily achievable by other nanomaterials. Furthermore, the benefits of simulation/modeling approaches for designing MXene-based membranes are exemplified. Overall, critical insights are provided for materials science and membrane communities to navigate better while exploring the potential of MXenes for developing advanced separation membranes.