壳聚糖复合膜的制备及CO2/N2分离性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:duancj1972
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CO2引起全球气候变暖使得捕集与分离CO2成为目前能源和环境领域研究的重要课题。与吸收、吸附和低温分离等传统的分离方式相比,膜分离具有无相变、能耗低、设备简单、投资少、易放大和环境友好等优点,因此被广泛应用于CO2分离领域。传统的高分子膜依靠溶解-扩散机理传递,难以突破"Robeson上限”,无法制备出同时具有高CO2渗透速率和选择性的膜;促进传递膜由于其分子内含有可与C02结合的载体因此能够大大提高膜的渗透选择性,可以打破此局限性。作为促进传递膜的一种,固定载体膜具有载体稳定性而受到人们的广泛关注。本文利用氨基作为载体,选择具有氨基的壳聚糖(CS)作为膜材料制备了三类复合膜:CS/PP、 TEA-CS/PP和PEI-CS/PP复合膜。首先以聚丙烯膜(PP)为支撑层,壳聚糖(CS)为分离层,制备了CS/PP复合膜,研究了壳聚糖分子量、浓度、溶剂蒸发温度和相对湿度等因素对CS/PP复合膜气体分离性能的影响,进而确定了优化的制膜条件:壳聚糖分子量为20万,浓度为1wt.%,蒸发温度为30℃,蒸发相对湿度为20%。在此条件下制备的CS/PP复合膜性能最优:在0.3MPa下,C02的渗透速率为201.8GPU,C02/N2的选择性为46.9。为提高壳聚糖膜的CO2分离性能和机械性能,以小分子的三乙醇胺(TEA)为共混添加剂制备了TEA-CS/PP共混复合膜。TEA的加入破坏了CS分子间和分子内的氢键作用,一定程度上降低膜的结晶度;同时增加了膜内载体含量,提高了CO2的促进传递作用。适当添加TEA可提高CS膜的机械性能以及对CO:的分离性能。操作压力为0.3MPa时,TEA浓度为15%的TEA-CS共混复合膜的CO2渗透速率为240GPU,是CS膜的1.2倍;共混膜对CO2/N2选择性为63.4,较CS/PP复合膜提高了35%。为提高壳聚糖膜的CO2渗透速率,以大分子的聚乙烯亚胺(PEI)作为共混添加剂,制备PEI-CS/PP共混复合膜。利用PEI分子中含有的伯胺、仲胺和叔胺增加膜内载体含量以期提高壳聚糖膜的CO2渗透速率和CO2/N2选择性。FTIR和DSC分析表明PEI与CS之间具有很好的相容性,XRD显示PEI使共混膜形成新的衍射峰,增加了共混膜的结晶度。当PEI浓度为10%时,共混复合膜具有优异的CO2分离性能:操作压力为0.3MPa时,CO2渗透速率为249.2GPU,CO2/N2选择性为49.8。以上制备的三种复合膜都是随着压力的增加,CO2渗透速率和CO2/N2选择性均下降,符合促进传递膜的一般规律。与文献报道值相比较,本工作中制备的壳聚糖复合膜具有很好的竞争优势。
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