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随着世界工业经济的快速发展,化石能源需求量增加,导致全球CO2排放量逐年增加。CO2作为温室气体的主要成分,大量排放造成了全球气候变暖,冰川融化,土地荒漠化等一系列严峻的问题,威胁着人类的生存和社会的可持续发展,引起了人们的广泛关注。膜分离技术因具有高效、可持续、绿色环保等优点,受到了研究者们的青睐。而炭分子筛膜具有独特的耐高温、耐有机溶剂、耐酸碱等优点,在CO2气体分离性能上优于聚合物膜。本论文以均苯四甲酸酐-4,4′-二氨基二苯醚(PMDA-ODA)型聚酰胺酸为炭分子筛膜前驱体,然后掺杂多孔材料或多孔炭材料,650℃下通过炭化法制得具有高分离性能的混合基质炭分子筛膜(CMSMs)。多孔材料的掺杂能够有效调控炭分子筛膜的孔结构,实现CO2的高效分离。具体研究内容与结论如下:
(1)首先制备类沸石咪唑骨架材料ZIF-8,然后添加到PMDA-ODA型聚酰胺酸溶液中,制得PMDA-ODA/ZIF-8混合基质聚合物膜,再经热解炭化制得PMDA-ODA/ZIF-8CMSMs。采用TG-FTIR、FTIR、XRD、N2和CO2吸脱附曲线对PMDA-ODA/ZIF-8CMSMs进行表征。研究了热解温度、热浸时间、ZIF-8含量和不同无机填料对膜气体分离性能的影响,探究了膜对不同动力学直径气体分子的渗透性能,研究了膜的老化性能和混合气体分离性能。TG-FTIR结果表明膜在热解过程中会释放出CO2,CO,CH4和H2O等物质,可增加炭分子筛膜的孔隙率;CO2吸附曲线对膜结构和孔隙度进行评价,证明PMDA-ODA/ZIF-8CMSMs有3.5?的超微孔;XRD表明炭分子筛膜由无定形炭向石墨炭过渡。在25℃、1bar下,热解温度为650℃,热浸时间为1h,ZIF-8含量为7wt%时,PMDA-ODA/ZIF-8CMSMs的CO2渗透系数为264Barrer,CO2/N2选择性为219,且分离性能远远地超过了2008年的Robeson上限。在长达120天的老化性能测试中,第100天CO2/N2的选择性高达248。
(2)以木质素磺酸钠为原料,制得多级孔炭材料(HPC),然后掺杂到PMDA-ODA型聚酰胺酸溶液中,制得PMDA-ODA/HPC混合基质聚合物膜,再经热解炭化制得PMDA-ODA/HPC CMSMs。采用氮吸附对HPC的孔径分布进行表征。研究了HPC凝胶状前驱体的反应温度和反应时间、多级孔炭材料的活化时间、活化温度和KOH含量、HPC的含量对膜气体分离性能的影响;研究了膜对不同动力学直径气体分子的渗透性能;研究了膜的老化性能和混合气体分离性能。氮吸附表明HPC为多级孔炭材料。在25℃、1bar下,凝胶状前驱体的反应温度和反应时间分别为160℃和8h,活化时间、活化温度分别为2h和800℃,KOH含量为1g,HPC含量为5wt%时,PMDA-ODA/HPC CMSMs的CO2渗透系数为865Barrer;CO2/N2选择性为100,分离性能远远地超过了Robeson上限。在长达60天的耐老化性能测试中,第30天CO2/N2的选择性高达120。
(1)首先制备类沸石咪唑骨架材料ZIF-8,然后添加到PMDA-ODA型聚酰胺酸溶液中,制得PMDA-ODA/ZIF-8混合基质聚合物膜,再经热解炭化制得PMDA-ODA/ZIF-8CMSMs。采用TG-FTIR、FTIR、XRD、N2和CO2吸脱附曲线对PMDA-ODA/ZIF-8CMSMs进行表征。研究了热解温度、热浸时间、ZIF-8含量和不同无机填料对膜气体分离性能的影响,探究了膜对不同动力学直径气体分子的渗透性能,研究了膜的老化性能和混合气体分离性能。TG-FTIR结果表明膜在热解过程中会释放出CO2,CO,CH4和H2O等物质,可增加炭分子筛膜的孔隙率;CO2吸附曲线对膜结构和孔隙度进行评价,证明PMDA-ODA/ZIF-8CMSMs有3.5?的超微孔;XRD表明炭分子筛膜由无定形炭向石墨炭过渡。在25℃、1bar下,热解温度为650℃,热浸时间为1h,ZIF-8含量为7wt%时,PMDA-ODA/ZIF-8CMSMs的CO2渗透系数为264Barrer,CO2/N2选择性为219,且分离性能远远地超过了2008年的Robeson上限。在长达120天的老化性能测试中,第100天CO2/N2的选择性高达248。
(2)以木质素磺酸钠为原料,制得多级孔炭材料(HPC),然后掺杂到PMDA-ODA型聚酰胺酸溶液中,制得PMDA-ODA/HPC混合基质聚合物膜,再经热解炭化制得PMDA-ODA/HPC CMSMs。采用氮吸附对HPC的孔径分布进行表征。研究了HPC凝胶状前驱体的反应温度和反应时间、多级孔炭材料的活化时间、活化温度和KOH含量、HPC的含量对膜气体分离性能的影响;研究了膜对不同动力学直径气体分子的渗透性能;研究了膜的老化性能和混合气体分离性能。氮吸附表明HPC为多级孔炭材料。在25℃、1bar下,凝胶状前驱体的反应温度和反应时间分别为160℃和8h,活化时间、活化温度分别为2h和800℃,KOH含量为1g,HPC含量为5wt%时,PMDA-ODA/HPC CMSMs的CO2渗透系数为865Barrer;CO2/N2选择性为100,分离性能远远地超过了Robeson上限。在长达60天的耐老化性能测试中,第30天CO2/N2的选择性高达120。