优先渗透CO_2的TS-1/C杂化功能炭膜的制备研究

以PMDA-ODA型聚酰胺酸为原料,通过掺杂钛硅分子筛(TS-1)制备气体分离用杂化功能炭膜.系统考察了钛硅分子筛(TS-1)掺杂量、炭化温度等因素对功能炭膜气体渗透性和分离性能的影响,利用FT-IR、XRD、TG和TEM等分析手段对TS-1/C杂化原膜及其在不同温度下炭化的炭膜结构和性能进行表征.结果表明:掺杂钛硅分子筛(TS-1)可大幅提高炭膜对CO2的渗透性能;当掺杂质量分数为20%,炭化温度为600℃时,CO2、H2、O2、N2、CH4的渗透系数分别可达9 087Barrer、8 111Barrer、2 017Barrer、426Barrer和357Barrer;当炭化温度为700℃以上时,功能炭膜对各气体的渗透性急剧降低,气体分离性大幅提高.     

预氧化处理对聚醚酰亚胺基炭膜结构与气体分离性能的影响

以新型聚醚酰业胺预聚体一聚酰胺酸为前驱体,在空气中进行预氧化处理后经700℃炭化制备出炭膜.采用红外光谱(FTIR)、元素分析(EA)、X射线衍射(xRD)和气体渗透等测试手段对400℃、460℃和480℃温度下所制预氧化膜的化学结构、炭膜的微结构和气体分离性能进行了表征.结果表明:预氧化阶段,聚合物链发生了热分解和氧化交联反应,温度越高,热分解和氧化程度越高.炭化后,预氧化膜的交联结构演变成无定彤碳结构.预氧化膜的结构差异导致了炭膜的孔结构的不同,从而对炭膜的气体分离性能产生重要影响,其中经460℃预氧化处理后所制炭膜的O2渗透系数可达8.2×10-13(m3(STP)·cm)/(m2·s·Pa),O2/N2选择性达14.1.     

不同干燥方式对聚醚砜酮基炭膜的影响

以PPESK为前驱体,CHCl3为溶剂,分别采用冷冻干燥法和冷藏干燥法制备气体分离炭膜,借助于红外光谱、热重分析、X射线衍射和气体渗透等测试手段,研究探讨了干燥方式对聚醚砜酮(PPESK)基炭膜的化学结构、炭微结构及气体分离性能的影响.结果表明,干燥方式对炭膜结构性能的影响主要体现在促使前驱体在干燥过程中形成具有不同化学结构的聚合物膜,使它们在以后的预氧化和低温热解炭化过程中表现出不同的演变规律:与冷藏干燥相比,冷冻干燥得到的聚合物膜在预氧化和炭化过程中分解反应程度较弱,但芳香缩合反应却很深刻,使形成的炭膜微结构尺寸较小,气体分离性能较高,并具有良好的表观柔韧性.所以,采用CHCl3为溶剂制备PPESK炭膜,冷冻干燥将是首选干燥方式.     

不对称炭膜的制备及结构性能研究

以Kapton型聚酰胺酸(PAA)为前体,以N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂和凝胶浴添加剂,分别以水、乙醇、正丙醇、正丁醇为凝胶介质,采用干湿相转化法制备不对称聚酰亚胺膜,经高温炭化制备不对称炭膜.探讨了相转化制膜工艺如铸膜液浓度、蒸发时间、凝胶介质及炭化温度等因素对不对称炭膜微结构和气体分离性能的影响,并采用SEM、XRD等手段对不对称炭膜的表面形态及微结构进行表征.研究表明,采用相转化的方法成功地制备了具有不对称结构的炭膜,相转化制膜工艺、炭化工艺对所制备不对称炭膜的结构及气体分离性能有较大的影响;控制适宜的铸膜液浓度、预蒸发时间有利于制备具有高通量、高分离选择性的不对称炭膜;提高炭化温度可以改变其微观结构,使炭膜的有序度和致密度增加,进而对膜的气体分离性能产生影响。SEM分析表明,所制备的不对称炭膜表面致密无缺陷,且具有明显的致密皮层和多孔支撑层结构;XRD显示,制备的不对称炭膜的微结构为乱层炭结构.     

BPDA-ODA型聚酰亚胺基沸石杂化炭膜的制备及气体分离性能

以BPDA-ODA型聚酰亚胺为前躯体,沸石为掺杂剂,通过成膜和炭化等过程制备了杂化炭膜.分别采用热失重、X射线衍射、扫描电子显微镜及渗透技术研究了前躯体热稳定性,炭膜微观结构、形貌及气体分离性能.考察了ZSM-5与5A两种沸石含量、炭化温度、渗透温度及渗透压力等因素对炭膜气体分离性能的影响.结果表明:H₂、CO₂、O₂和N₂ 4种气体主要以分子筛分机理渗透通过炭膜,实现选择性分离.在650℃炭化温度下得到杂化炭膜随沸石含量提高,气体渗透性与选择性均略降低;5A杂化炭膜的渗透性与选择性都显著高于ZSM—5杂化炭膜;随渗透压力提高,杂化炭膜的气体渗透性与选择性升高.当炭化温度从650℃升高到750℃时,杂化炭膜的渗透性降低.     

Fe_3O_4掺杂制备气体分离功能炭膜

采用共混法在聚酰亚胺前驱体中引入Fe3O4纳米粒子,经高温热解炭化制备了杂化功能炭膜.采用XRD、TEM和VSM等分析方法对所制备的功能炭膜进行表征,并探讨了Fe3O4纳米粒子的掺杂量及炭化终温对功能炭膜气体分离性能的影响.结果表明,Fe3O4纳米粒子在热解炭化过程中发生了物相形态的改变,并对前驱体起到了催化石墨化的作用,使功能炭膜具有类石墨片层和乱层炭的两种炭结构形态,同时具有磁性.气体渗透实验表明,掺杂Fe3O4纳米粒子使所制备的功能炭膜具有"分子筛分"的分离特征,提高了炭膜的气体渗透性能,特别是对小分子气体H2的渗透性提高了61倍,H2/CO2的分离选择性也明显得到改善.Fe3O4的掺杂量和炭化终温对炭膜的气体分离性能有显著影响.Fe3O4添加量为20wt%的功能炭膜对H2、CO2、O2、N2和CH4等纯气体的渗透系数分别为15476、4385、1565、193和114Barrers[1Barrer=1×10-10cm3(STP).cm/(cm2.s.cmHg)].     

聚酰亚胺低温热解炭膜的制备及气体分离性能

以商业化的Kapton型聚酰胺酸为前驱体制备了低温热解炭膜,采用热重质谱(TG-MS)、红外光谱(FTIR)、元素分析(EA)、X射线衍射(XRD)和气体渗透等手段对不同温度、不同气体氛围下制备出的膜的化学结构、微结构和气体分离性能变化规律进行了研究.结果表明,低温热解温度和气体氛围对炭膜的化学结构、微结构存在着显著的影响,进而影响到炭膜的气体分离性能,表现为450℃之前气体渗透系数变化很小,450℃以后气体渗透系数逐渐增大,分离系数逐渐下降,同时空气促进了热分解和热交联反应的进行,炭膜具有较大的气体渗透系数和较小的气体分离系数.     

BDAF-PMDA型聚酰亚胺炭膜的制备及其气体分离性能的研究

以2,2-双[4-(4-氨基苯氧基苯基)]六氟丙烷(BDAF)为二胺单体,均苯四酸二酐(PMDA)为二酐单体,采用两步法制备了BDAF-PMDA型聚酰亚胺,进一步高温热解制备炭膜.采用红外、热重、X射线衍射分析其结构变化,并测试炭膜对纯组分及混合气体的渗透性能和分离选择性.结果表明,BDAF-PMDA型炭膜具有较高的气体渗透性,在CO2/H2体系中可优先渗透CO2.提高炭化温度,炭膜孔径减小,气体的渗透性能降低,选择性提高,并使得BDAF-PMDA型炭膜的分离机理由表面扩散为主逐渐变为表面扩散和分子筛分共同控制.     

P25杂化炭膜的制备及其气体分离性能

通过在炭膜前驱体中添加纳米二氧化钛-P25粒子制备了P25杂化炭膜,并采用TG、SEM、TEM、XRD、气体渗透性能测试等表征方法探讨添加P25纳米粒子对杂化炭膜的热解过程、微观结构及气体渗透性能的影响。结果表明,P25纳米粒子的加入提高了聚合物膜的热稳定性;P25粒子因团聚形成一定的堆积间隙并与炭基体形成了界面孔隙。气体渗透性能测试表明,P25的引入显著地提高了气体渗透通量,并随添加量增加提高而更加明显,气体选择性略有降低,分离机理仍以分子筛分为主;炭化终温的提高可以显著增加气体选择性,但气体渗透性有所降低。当P25添加量为20wt%,炭化终温为700℃时,所制备的杂化炭膜其H2、CO2、O2、N2、CH4气体渗透性分别为1769.2、1558.6、410.2、55.5和26.8 Barrer。     

SBA-15模板法有序多孔炭膜材料的制备及表征

以介孔分子筛SBA-15为模板剂,聚酰亚胺为前驱体,经共混、成膜、炭化及脱模板过程,制备了有序多孔炭膜材料(OPCM)。通过热失重、红外光谱、电子显微镜和X-射线衍射,分别对前驱体热稳定性、膜表面官能团、微观形貌与微观结构进行了表征。考察了SBA-15脱除前后的炭膜微观结构与形貌,及OPCM气体分离性能。结果显示,当炭化温度为650℃、SBA-15用量为1%时,所制得OPCM的气体分离系数显著高于努森扩散。     

高氢渗透分离性的沸石杂化支撑炭膜的制备

以ZSM-5沸石掺杂改性的1, 4-双(4-氨基-2-三氟甲基-苯氧基)苯-1, 2, 3, 4-环丁烷四甲酸二酐型聚酰亚胺为前驱体, 通过旋涂成膜和热解过程制备了平板状支撑炭膜。采用热失重、红外光谱、X射线衍射、扫描电镜及气体渗透技术分别研究了前驱体热稳定性、膜表面官能团、微结构, 微观形貌及分离性能。考察了ZSM-5掺杂量及热解温度对炭膜结构和气体分离性的影响。结果表明: 经ZSM-5改性后前驱体热稳定性与残炭量降低, 炭膜微观结构变致密; 加入沸石显著提高了炭膜的渗透性, 且随ZSM-5掺杂量增加, 气体渗透性先减小后增大; 随着热解温度升高, 炭膜的渗透性与选择性皆减小。经650℃热解制得杂化炭膜对H₂/N₂体系的分离性能均远超过Robeson上界限。     

定向聚合制备硅分子筛复合膜

研制出一种高强度、高选择透过性的硅分子筛复合膜 .这种膜的最大特点 ,是其表面分离层是由定向聚合制得的硅树脂膜裂解制成 .由于这种硅树脂的大分子呈规则排列 ,因而导致最终裂解膜的孔径分布极窄 ,膜选择透过性能较大幅度提高 .这种膜对气体的渗透系数约为1 0 3Barrer(1Barrer =7.6× 1 0 - 8cm3·cm/cm2 ·s·MPa) ,H2 /N2 分离因子可达 90 ,其选择透过性能远优于常规的有机膜和无机膜 ,也优于常规碳分子筛膜和硅分子筛膜 .这种膜以多孔陶瓷为支撑体制成复合膜 ,因而具有较高的强度 .     

Performance optimization of polyetherimide-zeolite 4A mixed matrix membranes for carbon dioxide/methane separation process using response surface methodology

The performance optimization studies of zeolite 4A embedded polyetherimide mixed matrix membranes to separate carbon dioxide/methane by simultaneously considering the effect of process parameters on process responses were the focus of this study. Mixed matrix membranes were characterized and analyzed. The thermophysical characteristics of the synthesized membranes were assessed by different analytical equipment. The permeability of pure gases was determined at varying feed pressures (4 bar to 10 bar) to evaluate gas separation performance. Process optimization studies were accomplished by response surface methodology to find the relation of pressure and zeolite loading on carbon dioxide and methane permeability, and carbon dioxide/methane selectivity. The characterization results revealed that all membranes were dense in structure and has improved thermal stability. The spectrometry results confirmed the molecular interaction between polyetherimide and zeolite 4A filler. Gas permeability results showed a more than 90 % increase in carbon dioxide permeability compared to the nascent polyetherimide membrane. Similarly, selectivity of mixed matrix membranes was 45 % higher than polyetherimide membrane. The optimal operating conditions were found to be 20 wt. % zeolite loading and 6 bar pressure with overall desirability of 0.700. These membranes can find potential in various gas separation applications.     

聚酰亚胺基气体分离炭膜的进展

通过对近十多年来在聚酰亚胺基气体分离炭膜方面所取得成果的评述,探讨了聚酰亚胺的化学结构、成膜方法、热解工艺条件,以及修饰改性等因素对炭膜气体分离性能的影响.分析了聚酰亚胺基炭膜目前所存在的问题,并对其发展前景进行了展望.     

炭分子筛膜的制备及应用研究进展

炭分子筛膜(CMSM)是用于气体分离的一种高效节能新型材料,在气体分离中具有极大的工业化应用潜力.综述了炭分子筛膜的前躯体选择、制备工艺及气体分离应用方面的研究进展,并对炭分子筛膜的发展方向进行了展望.     

KOH活化法制备气体分离用炭分子筛膜

选用KOH为活化剂,利用化学活化法制备炭分子筛膜,考察在热塑性酚醛树脂(PFNR)涂膜液中添加不同质量分数的KOH对炭分子筛膜的影响.结果表明,在炭化过程中,KOH的加入可促进炭分子筛膜孔径的均匀分布,使炭分子筛膜具有发达的孔隙结构.当KOH在PFNR中的添加量从0％增加到4％时,H2的渗透速率由23.68×10-10 mol·m-2·s-1·pa-1提高到28.6×10-10 mol·m-2·s-1·Pa-1;但H2/N2和H2/CH4的分离系数明显下降,分别从471.3下降到147.5、540下降到270.CO2/CH4和O2/N2的分离系数只有轻微下降.     

Thermal and catalytic degradation of polyethylene wastes in the presence of silica gel, 5A molecular sieve and activated carbon

A comparative study of thermal and catalytic degradation of polyethylene wastes has been carried out with the aim of obtaining chemical compounds with potential use in the chemical industry and the energy production. Polyethylene wastes were obtained from polyethylene bags used in supermarkets. Catalysts utilized in the study were silica gel, 5A molecular sieve and activated carbon. The pyrolysis was performed in a batch reactor at 450, 500 and 700 °C during 2h for each catalyst. The ratio catalyst/PE was 10% w/w and the solid and gaseous products were analyzed by gas chromatography and mass spectrometry. The optimum operation temperature and the influence of the three catalysts are discussed with regards to the products formed. The best temperature for degradation with silica gel and activated carbon as catalysts was 450 °C and with 5A molecular sieve was 700 °C. Degradation products of PE (solid fraction and gas fraction) are depending on temperature and catalyst used. External surface and structure of catalysts were visualized by Scanning Electron Microscopy (SEM) and the contribution on product distribution is commented. All products from different degradations could be used as feed stocks in chemical industry or in energy production based on the value of heat of combustion for solid fraction (45000 J/g), similar to the heat of combustion of commercial fuels.