凝胶膜的制备及其气体渗透分离性能研究

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随着社会不断的发展,人类对于生活质量特别是空气质量的要求越来越高,绿色生活环境也越来越受到青睐,面对温室效应这一全球问题的不断恶化,CO2的分离、脱除则显得格外重要。目前迫在眉睫的是怎样开发高效的CO2分离技术去降低二氧化碳对环境的污染,然而社会上应用尤为突出的是膜技术,气体分离膜技术在1970年逐渐兴起并达到了工业化。随着科技的进步,大量新型的分离膜也不断涌现,近几年来,凝胶膜因其在气体渗透分离方面有着独特的性能优势逐渐成为了科研热点,比如它的固-液网络结构,极大地提高了分离性能,其中,液态介质散布在固态的网络体系中,对气体的渗透选择提供了优先通道,而固态的结晶骨架结构给凝胶膜提供了一定的力学支撑。对于凝胶膜的制备来说,液态介质和聚合物基底的选取至关重要。本文分别选用乙二醇苯醚(EPH)和乙二醇苯醚醋酸酯(EPA)作为凝胶介质,弹性高分子聚醚嵌段酰胺(PEBA1657)和二醋酸纤维素(CA)为凝胶膜的基底,通过用热致相分离法(TIPS)和溶剂挥发法(SE)制成聚合物/凝胶介质系列凝胶膜,并对其改性制成复合膜,全文研究内容和结果如下:(1)以热致相分离法和溶剂挥发法制备了PEBA1657/EPA凝胶膜,考察了两种制备方法以及在凝胶介质EPA不同添加量下对膜的气体分离能力、膜的内部结构产生的影响。实验结果指出两种方法制备的凝胶膜在性能上各有优缺点,都有着较好的CO2/N2分离能力,EPA的添加比例上升时,凝胶膜的渗透通量随之增加。其中,在溶剂挥发法中,CO2/N2选择性系数在EPA含量为40wt%时达到165,当EPA添加量增大至60wt%时,膜的CO2渗透通量达到881.0Barrer,超过了Robeson上限,但其膜的稳定性比起热致相分离法制备的的膜较弱且EPA的挥发损失量较高。(2)通过热致相分离法在不同的冷却温度下制备了不同凝胶介质的PEBA1657/EPA、PEBA1657/EPH凝胶膜。根据实验结果可以得知冷却温度的提升促使渗透系数增大,且凝胶膜PEBA1657/EPA-60的力学性能和稳定性都高于PEBA1657/EPH-60膜,DSC和偏光显微镜分析显示其结晶度较小从而有利于气体渗透通过,显示出EPA分子作为凝胶介质的优势所在。(3)利用分子间氢键作用力支撑凝胶体系,选用低结晶度的二醋酸纤维素作为凝胶基底,以EPH作为功能液体成功制备了CA/EPH凝胶膜。经膜表征、测试分析可知EPH的介入,减少了二醋酸纤维素原本少量的结晶度从而增大了膜内利于气体渗透的无定形区域,当其添加比例在40wt%时,CO2/N2的渗透选择性提高到90.92,CO2渗透通量达到178.66 Barrer。(4)为了提高CA/EPH凝胶膜中EPH的添加量和其力学拉伸性能,对CA/EPH凝胶膜进行化学交联改性成复合膜,分析显示改性后膜的稳定性和力学性能得以提升,同时功能载体EPH的添加量也有所上升,但是复合膜的气体渗透能力急剧降低,这对课题下一步实验的进行指明了研究方向。
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