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。     

碳捕集技术研究进展

碳捕集技术对于减少大气中的CO_2浓度显得至关重要,尤其是对于排放大量温室气体的火力发电厂和工业源的CO_2捕集。本文主要概述了CO_2的燃烧前捕集、富氧燃烧捕集、燃烧后捕集这3种主要的碳捕集技术的研究现状,并结合当前正在研究的碳捕集技术,提出了碳捕集技术未来可能的发展方向。     

二氧化碳捕集技术研究进展

结合目前二氧化碳捕集技术的发展现状,对二氧化碳捕集方法进行深入研究,在此基础上,对二氧化碳捕集机理进行深入分析,为推动二氧化碳捕集技术的进一步发展奠定基础。     

二氧化碳捕集技术研究进展

随着全球工业的快速发展,二氧化碳的大量排放被认为是造成气候变暖最主要原因,二氧化碳的捕集和封存已经成为研究的热点,本文综述了近年来CO2捕集技术的研究进展,主要有燃烧后捕集、燃烧前捕集和富氧燃烧三条技术路线,最后提出了可以提高二氧化碳捕集能力的策略与展望。     

石墨烯基材料在CO2分离膜领域的研究进展

节能高效的CO₂分离技术的开发具有重要的现实及长远意义,膜法CO₂分离在该领域备受关注,具有优异传质特性的新型分离膜材料对膜分离过程有决定性的影响。近年来,石墨烯及其衍生材料因独特的单原子层厚度、亚纳米级别的孔道结构以及优异的机械、化学和热稳定性,成为气体分离膜领域的研究热点,膜的加工难度、技术成本、大面积制备、工作稳定性等问题是限制其实际应用的关键因素。石墨烯基CO₂分离膜主要有三种形式：纳米孔石墨烯膜、层状结构氧化石墨烯膜、基于石墨烯及其衍生材料的混合基质膜。本文综述了石墨烯基CO₂分离膜领域的突破性研究进展,重点介绍了气体的跨膜传质机理和膜的构性关系,总结了膜性能的优化思路和原理,梳理了石墨烯基CO₂分离膜发展面临的挑战,提出了潜在的研究方向。分析表明,进行系统的理论研究,采用先进的表征手段,以建立膜构性关系的理论模型,指导膜结构设计是未来研究的重点。此外,进一步降低膜加工成本,充分研究膜在实际工作环境中的稳定性也至关重要。     

二氧化碳捕集技术研究进展

在“碳达峰、碳中和”的双重任务下,CO₂捕集已经成为今后工业发展的必然趋势。分别介绍了燃烧前捕集、燃烧后捕集以及富氧燃烧技术,并总结了相关技术还存在的问题。同时,系统地总结了国内外主要的CO₂捕集方法,分析了不同捕集方法的优缺点,并针对不同行业提出了合理的捕集方法。其中,重点介绍了溶液吸收法,通过对现有吸收液存在的能耗高、易挥发、毒性大的问题,提出了今后溶液吸收法的主要发展方向,并针对现有吸附法存在的问题提出开发新型低温、低压、低成本的固体吸附材料及相关工艺的研究思路。     

燃烧后二氧化碳捕集技术与应用进展

二氧化碳是主要的温室气体之一，其大量排放已对全球的气候环境造成严重影响，迫切需要开发经济有效的碳捕集技术。目前，碳捕集技术主要有吸收分离法、吸附分离法、膜分离法和低温分离法。首先，介绍了碳捕集技术的发展现状、应用研究进展和未来发展趋势；总结了国内外碳捕集示范项目；重点对比了各碳捕集技术的优势与缺点，同时强调了捕集技术面临的困难与挑战；指出目前主要的碳捕集技术均难以独立实现高效、节能、经济的碳捕集分离，需针对不同的应用场景，选择适合的分离技术，并提出了适用分离场景的应用建议；最后，简要介绍了混合捕集技术的研究成果，提出混合捕集技术可能是一种突破单一捕集技术瓶颈的可行方法。     

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。     

膜法碳捕集技术——研究现状及展望

碳捕集是实现CO₂减排的重要技术手段之一。在众多碳捕集技术中,膜分离技术具有操作简单、能耗低、环境污染小等优势,吸引了广泛关注。完整的膜法捕集CO₂技术研究链条包括膜材料开发、分离膜规模化制备、膜组件研制和膜分离工艺及装置的设计建造。本文针对膜法碳捕集技术链的四个环节,总结对比了国内外技术水平和研究进展,分析了碳捕集膜从实验室研究到工业放大的瓶颈问题,并对本文作者课题组在各个技术环节所积累的研究成果进行了综述。在此基础上,对进一步提高膜法碳捕集技术水平的研究方向进行了展望。     

烟气中二氧化碳捕集技术研究进展

二氧化碳是一种主要的温室气体,而化石燃料燃烧产生和排放出大量的CO2气体是造成全球气候变暖的最主要原因,CO2减排控制技术在碳资源循环利用和环境保护方面均具有重要的意义,CO2的排放控制以及封存利用已经成为一个举世关注的重大科学研究课题.本文综述了近年来CO2捕集技术的研究进展.     

Zeolite imidazolate framework (ZIF)-based mixed matrix membranes for CO2 separation: A review

Mixed matrix membranes (MMMs), which combine the good separation performance of inorganic materials with the low cost of polymers, have emerged as a research hotspot for gas separation membranes. Zeolite imidazolate frameworks (ZIFs) are widely used as fillers to prepare MMMs owing to their advantageous characteristics, such as adjustable pore channels, unsaturated sites, and easy functionalization. For MMMs, three directions can be employed as criteria for improvement compared with pristine polymeric membranes. In this article, the progress of ZIF-based MMMs is reviewed from the aspects of sole-ZIF-based MMMs and modified ZIF-based MMMs. Both strategies improve the separation performance through different improvement directions and mechanisms. Our analysis shows that the synergistic effect of the modified filler can change the structure of the membranes, such as by improving the filler–polymer interface voids, which provides a foundation to overcome the trade-off effect to a certain extent. © 2020 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2020 , 137, 48968.     

PEO/聚吡咯中空纳米微球混合基质膜的制备及其CO2渗透分离性能

采用壳层具有介孔结构的聚吡咯中空纳米微球作为填料，和聚氧化乙烯单体共混自由基聚合制备了混合基质膜。结果表明，聚吡咯微球与基质相容性较好，未见明显团聚现象和缺陷。混合基质膜的渗透系数随填料含量的增加先增大后减少，在0.5%处达到最大值，CO₂渗透系数增长31%；CO₂/N₂分离系数有所降低，CO₂/CH₄分离系数则变化不大。研究表明，由于聚合物链段对微球壳层的介孔填充，气体在膜内的扩散系数不升反降，渗透系数的提高主要是由于溶解度系数的变化，而这也导致了溶解选择性的变化，进而影响了分离系数。     

Synthesis of PEO/hollow polypyrrole nanoparticle mixed matrix membranes for CO2 separation

The hollow polypyrrole nanoparticle with porous shell was incorporated into poly(ethylene oxide) monomer to fabricate the mixed matrix membrane by free radical polymerization. Morphology of the membranes showed the polymeric filler had good interfacial compatibility with the polymeric matrix without obvious defect. The results showed that the gas permeability of membranes increased at first and then decreased as the filler loading increased, while the permselectivity of CO₂/N₂ decreased_{andthat of CO2/CH4 maintained constant basically. The research showed that the diffusion coefficients decreased due to the blockage of the pore in shell of nanoparticles by polymeric matrix, the improvement of the gas permeability was mainly contributed by the improvement of the solubility coefficient, which also affected the solubility selectivity and then the permselectivity. The optimum nanoparticle loading was around 0.5%. In this case, the permeability of CO2 was about 6.5×10^-11 cm³?cm?cm^-2?s^-1?Pa^-1 (31% higher than the pristine polymeric membranes), while the permselectivity of CO2/N2 was about 30 (34% lower than that of the pristine polymeric membranes) and the permselectivity of CO2/CH4 was about 14 without significant sacrifice. The result showed the polypyrrole nanoparticles with porous shell was potential for application in CO2/CH4 separation.}     

Perspective of mixed matrix membranes for carbon capture

Polymeric membrane-based gas separation has found wide applications in industry, such as carbon capture, hydrogen recovery, natural gas sweetening, as well as oxygen enrichment. Commercial gas separation membranes are required to have high gas permeability and selectivity, while being cost-effective to process. Mixed matrix membranes (MMMs) have a composite structure that consists of polymers and fillers, therefore featuring the advantages of both materials. Much effort has been made to improve the gas separation performance of MMMs as well as general membrane properties, such as mechanical strength and thermal stability. This perspective describes potential use of MMMs for carbon capture applications, explores their limitations in fabrication and methods to overcome them, and addresses their performance under industry gas conditions.     

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。     

氨基MIL-101(Cr)强化CO2分离性能的混合基质膜优化制备

金属有机骨架MIL-101(Cr)是大孔径、高孔隙率的新型膜材料,可显著提升混合基质膜的CO₂渗透性,但其掺杂会明显降低选择性,有两方面原因：有机配体的CO₂亲和性较低;填料干燥活化后再分散性差,易团聚形成缺陷。对此,首先以氨基对苯二甲酸为配体合成氨基MIL-101(Cr),提高溶解选择性,再采用先浇铸-后活化的制膜工艺,减少团聚缺陷。红外测试表明氨基填料成功合成;扫描电镜表明膜中填料分布均匀。掺杂15%(质量)氨基MIL-101(Cr)的乙基纤维素混合基质膜,CO₂渗透系数达到200 barrer,比MIL-101(Cr)膜提高11.2%,较纯聚合物膜提高133.1%;同时,CO₂/N₂选择性达到23.9,比MIL-101(Cr)膜提高25.8%,较纯聚合物膜提高17.1%。综上,采用先浇铸-后活化的制膜工艺掺杂氨基MIL-101(Cr)填料,可同时提高混合基质膜的CO₂渗透性和选择性。     

含有MCM-41分子筛的混合基质复合膜用于CO2分离

为了提高CO₂分离膜的性能,将接枝了氨基的MCM-41分子筛(MCM-NH₂)添加到聚乙烯基胺(PVAm)水溶液中配制涂膜液,并将PVAm-MCM-NH₂涂膜液涂覆到聚砜(PSf)超滤膜上制备PVAm-MCM-NH₂/PSf混合基质复合膜。复合膜分离层较薄,有利于CO₂渗透速率的提高。接枝的胺基提高了分子筛与聚合物的相容性和膜内胺基含量,有利于膜渗透选择性能的提高。使用CO₂/N₂混合气(15% CO₂ + 85% N₂,体积分数)考察了不同MCM-NH₂添加量的PVAm-MCM-NH₂/PSf膜的渗透选择性能。当涂膜液中m_MCM-NH2/m_PVAm为0.2、湿涂层厚度为50 μm,测试温度为22℃ 、进料气压力为0.11 MPa时,膜的CO₂渗透速率可达4.66×10^-7 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1,CO₂/N₂分离因子可达150。较高的CO₂/N₂分离性能表明PVAm-MCM-NH₂/PSf膜在烟道气碳捕集领域具有良好的应用前景。此外,考察了湿涂层厚度、热处理、添加小分子胺等条件对膜渗透选择性能的影响。     

仲胺桥联共价三嗪聚合物对CO2的高选择性吸附

针对有机聚合物材料对CO2的吸附量和吸附选择性不能兼得的问题,由三(4-氰胺基苯基)胺和四(4-氰胺基苯基)甲烷设计合成了仲胺桥联共价三嗪聚合物NB-CTP-1和NB-CTP-2,通过FTIR、TGA、XRD、SEM、TEM和全自动物理吸附分析仪对制备的样品进行了结构和形貌表征.在1.01×105 Pa、273 K条件下,NB-CTP-1和NB-CTP-2的CO2吸附量分别为3.04和3.23 mmol/g.依据亨利定律法和IAST法分别对两种材料在1.01×105 Pa、273 K条件下的吸附选择性进行计算,其中,NB-CTP-1的CO2/N2吸附选择性高达113(亨利定律法)和143(IAST法),而NB-CTP-2也能达到75(亨利定律法)和89(IAST法).此外,通过Clausius-Clapeyron方程计算得出NB-CTP-1和NB-CTP-2的极限吸附热分别为35.3和37.6 kJ/mol,表明其与CO2存在较强的偶极-四极相互作用,有利于提升吸附选择性.