论文部分内容阅读
温室效应导致全球变暖,气候异常,极端恶劣天气频发,已成为全球关注的热点环境问题。控制和消减CO2等温室气体排放受到世界各国政府和科学界的高度重视。膜分离技术由于具有高效、清洁等优点,在CO2捕集领域显示出良好的发展前景。而高性能膜材料的开发是加快膜技术工业化步伐的最根本途径。本文旨在开发高性能混合基质膜,设计制备了功能化低维纳米材料作为分散相填充材料,通过调节填充材料在膜中排布,优化界面形貌,构建CO2传递通道,从而提升膜的CO2分离性能。具体工作分为以下三部分:（1）将聚苯胺修饰的埃洛石纳米管（PANI-d-HNTs）加入到磺化聚醚醚酮（SPEEK）中,构建多层管状促进传递通道,制备混合基质膜。ATR-FTIR和SEM表征结果表明PANI-d-HNTs和SPEEK之间具有良好的界面相容性。系统的研究了PANI-d-HNTs添加量以及进料压力对混合基质膜的CO2分离性能影响,并考察了膜的CO2/N2混合气分离性能。结果表明:在压力为1 bar、温度为25°C时,PANI-d-HNTs含量为0.9wt%的混合基质膜具有超过120 h的混合气长期性能稳定性,CO2渗透系数为1250 Barrer,CO2/N2分离因子为82.9;超过2008年修订的Robeson上限。这是因为PANI-d-HNTs多层管状传递通道中紧密排列的仲氨基可以与CO2发生可逆反应,高速传递CO2。（2）将原位掺杂碳量子点的磺化聚醚醚酮聚合物（SPEEK-CDs）与PVA共混交联,制备SPEEK-CDs-PVA/PSf混合基质复合膜（其中以多孔聚砜（PSf）作为支撑层）。ATR-FTIR、SEM、DSC表征以及凝胶含量测试证实了CDs、PVA与SPEEK之间发生交联反应,SPEEK-CDs-PVA混合基质膜具有显著提高的热稳定性和耐溶胀性能。在混合气进料条件下,系统的研究了膜的组成、进料压力以及温度对混合基质膜的CO2分离性能影响。结果表明:在压力1bar、温度25°C时,SPEEK-CDs-PVA/PSf膜（膜中SPEEK-CDs-0.5与PVA的质量比为80:20）的CO2渗透速率为110 GPU,CO2/N2选择性为92.9;高于文献报道的SPEEK气体分离膜。这是因为在SPEEK-CDs-PVA有机-无机交联网络中,CDs表面通过酯化反应接枝的磺酸基团可作为吸附传递位点,在界面处形成亲CO2传递通道,优先传递CO2。此外,SPEEK-CDs-PVA/PSf膜具有优异的抗塑化性能、良好的温度适应性以及超过200 h的长期操作稳定性。（3）将支化聚乙烯亚胺修饰的埃洛石纳米管（PEI-HNTs）加入到聚乙烯胺（PVAm）中,构建具有支化结构的限域传递通道,以PSf为支撑层制备混合基质复合膜。ATR-FTIR表征结果证明PEI-HNTs与PVAm之间具有良好的界面相容性。系统的研究了PEI-HNTs添加量、进料压力、湿涂层厚度以及进料气氛对混合基质膜的CO2分离性能影响,并考察了膜的CO2/N2混合气分离性能。结果表明:在压力为1 bar、PEI-HNTs-3含量为1wt%时,PVAm-PEI-HNTs/PSf膜的混合气CO2渗透速率为228 GPU,CO2/N2选择性为143.0;分别为PVAm/PSf膜的2.17倍和2.52倍。这是因为PEI-HNTs作为限域传递通道,其内腔负载的支化PEI链上的氨基载体可与CO2发生可逆反应,快速传递CO2,消除载体等待效应。此外,该膜也具有优异的耐压性能以及超过200 h的长期操作稳定性。