基于CO2-CH4分離的含氟聚砜雜化膜的制備及性能研究.pdf

1、聚合物材料用于氣體分離的研究較為深入和廣泛，然而聚合物本身存在氣體滲透性與選擇性制約的關(guān)系。具有最佳滲透性與選擇性的氣體分離膜是當(dāng)下研究的重點(diǎn)。本論文的工作主要是圍繞如何提高氣體分離膜整體性能而展開(kāi)的。選擇含氟聚砜(DDS-6FpDA)為基體膜，多壁碳納米管(MWCNTs)、ZIF-8金屬有機(jī)骨架材料作為無(wú)機(jī)分散相合成了雜化膜(Hybrid membranes)，目的是最大限度結(jié)合兩類(lèi)材料的氣體滲透選擇優(yōu)點(diǎn)。具體的研究工作和結(jié)論包括:<

2、br>　　1、采用縮聚反應(yīng)合成了含氟聚砜，經(jīng)1H核磁分析，證明合成了目標(biāo)產(chǎn)物，測(cè)試并比較了商品聚砜膜與合成的含氟聚砜膜的氣體滲透選擇性能。結(jié)果表明:相同條件下含氟聚砜膜的滲透和選擇性能均優(yōu)于商品聚砜膜。合成的含氟聚砜膜氣體滲透?jìng)鬟f過(guò)程中引入了可以與CO2發(fā)生弱相互作用的-CF3基團(tuán)，使得CO2分子在通過(guò)膜的同時(shí)，也可以通過(guò)與-CF3弱相互作用的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)滲透性的提高。此外-CF3基團(tuán)的存在使膜鏈段具有很高的自由體積，增加了氣體的滲透系數(shù)

3、。
　　2、以含氟聚砜為母體膜，選擇多壁碳納米管為無(wú)機(jī)分散相合成雜化膜。為提高多壁碳納米管在膜中的分散性，選擇強(qiáng)酸（H2SO4/HNO3=3/1）修飾。通過(guò)對(duì)比修飾前后碳納米管紅外譜圖可知，在1709 cm-1出現(xiàn)了C=O伸縮振動(dòng)吸收峰，另外在3425 cm-1處出現(xiàn)了強(qiáng)的羥基特征吸收峰，說(shuō)明羧基的(-COOH)引入。另外通過(guò)SEM表征雜化膜表面和橫斷面形貌說(shuō)明在較低摻雜量下酸化碳納米管（AT-MWCNTs）具有良好的分散性。系統(tǒng)

4、研究了碳納米管摻雜量（1-4 wt％）、跨膜壓差(0.5，1.0，1.5atm)和溫度(25℃，35℃，45℃，55℃)對(duì)氣體滲透系數(shù)(P)和理想選擇系數(shù)(α)的影響。當(dāng)AT-MWCNTs含量為2wt％時(shí)，壓力1atm，溫度25℃條件下CO2氣體的滲透系數(shù)為12.73 Barrer，選擇系數(shù)為28.9，比未摻雜的含氟聚砜膜分別提高了19％和5.5％。氣體滲透系數(shù)在不同跨膜壓差下變化趨勢(shì)平緩;升高溫度對(duì)各種氣體的滲透系數(shù)影響較大，氣體滲透

5、系數(shù)都增加而對(duì)應(yīng)的雙組份氣體分離系數(shù)急劇降低，根據(jù)阿倫尼烏斯方程，在相同膜體系中溫度對(duì)活化能高的氣體影響更顯著，Ep(CH4)＞Ep(CO2)溫度有利于CH4氣體，所以CO2/CH4分離系數(shù)降低。多壁碳納米管的存在給氣體穿過(guò)膜提供了更快的通道，氣體在多壁碳納米管中的傳遞比一般已知的多孔材料都要快很多，而且碳納米管的存在增加了聚合物本身的自由體積，進(jìn)而增強(qiáng)了氣體的滲透系數(shù)。
　　3、首先合成ZIF-8納米顆粒，XRD圖譜證明目標(biāo)產(chǎn)物

6、的合成，并與含氟聚砜制備雜化膜。對(duì)雜化膜樣品進(jìn)行XRD測(cè)試證明沒(méi)有破壞ZIF-8的骨架結(jié)構(gòu);紅外進(jìn)一步證明合成的雜化膜既含有含氟聚砜的特征峰又包含ZIF-8的特征峰;橫斷面EDS證明添加的ZIF-8顆粒均勻分散在母體膜中，當(dāng)ZIF-8摻雜量為10 wt％時(shí)CO2氣體滲透系數(shù)最高為27 Barrer(純膜為10.69 Barrer)，提高了153％。ZIF-8的存在給氣體穿過(guò)膜提供了另一個(gè)通道，而且ZIF-8的存在增加了含氟聚砜本身的自由