论文部分内容阅读
在温室效应日益加剧与可再生资源有效利用的大背景下,CO2膜分离技术在碳源回收利用及实现可持续发展等方面发挥着至关重要的作用。与其他CO2分离方法相比,膜技术具有高能效、操作简单和环境友好等特点。尽管CO2膜分离材料已取得了很大进展,但仍存在如下问题:1.大多数聚合物膜和无机膜无法兼具高渗透性与高选择性。2.薄膜构筑、结构调控手段单一,膜内细小缺陷难以避免,限制膜性能的提高。3.未能有效利用气体分子在物理、化学性质等方面的差异,从多种途径实现对气体的高效分离。针对上述问题,本文选取层状双金属氢氧化物水滑石(LDHs)作为薄膜构筑基元,系统地研究了单片层水滑石的合成方法。采用水热法、阴离子交换法、甲酰胺溶剂剥离的方法制备了大粒径单片层水滑石纳米片。分别采用真空抽滤-浸渍、旋涂组装的方法,获得了两类LDH基复合薄膜,具体研究内容如下:1.采用真空辅助抽滤法制备了 LDH层状堆积膜,通过滴涂浸渍将离子液体(IL)引入LDH膜的层间纳米通道,制备的LDH-IL复合膜具有高度取向性及优异的CO2分离性能。LDH与IL间的氢键、静电相互作用在一定程度上提高了薄膜的热稳定性和结构稳定性,使薄膜能够长期运行。对薄膜分离机理进行探究发现,有序堆叠的LDH纳米片吸附并传递CO2,且在一定程度上阻隔了其他气体的传输。相较于其他气体,层间的IL对CO2具有高溶解度与高扩散度,使薄膜兼具高CO2选择性和透过性。本工作所制备的LDH80-IL、LDH100-IL、LDH150-IL均突破了 Robeson上限,其中LDH100-IL复合薄膜性能最优,CO2渗透率为105.61 GPU,CO2/N2、CO2/CH4的选择性分别为128.82、221.75。该薄膜具有耐高温性,长期耐用性,有望应用于实际的天然气纯化、烟道气分离、二氧化碳捕集中。2.通过旋转涂膜的方式,将剥层LDH纳米片与羧甲基纤维素(CMCS)、聚乙烯胺(PVAm)交替组装,获得了结构紧凑的(LDH/CMCS/PVAm)n复合膜。具有 0.45 μm 超薄厚度的(LDH/CMCS/PVAm)5 复合膜 CO2 渗透率为 4226.94 GPU,CO2/N2、CO2/CH4、CO2/H2 的选择性分别为 166.81、363.22、7.31。CO2/N2 与CO2/CH4选择性均超越了 Robeson上限。其气体分离性能主要基于促进传递机制与溶解-扩散机制,此外CMCS的盐析效应也发挥着重要作用。此薄膜在改变进气湿度以及混合气体条件下的气体分离性能有待进一步探究。该工作为CO2分离膜的合理设计和制备提供了一定的理论指导。