基于CO2-CH4滲透分離的固載離子液膜的制備和性能研究.pdf

1、生物質(zhì)燃?xì)庥址Q為“產(chǎn)業(yè)沼氣”，是生物有機(jī)質(zhì)在厭氧微生物降解過(guò)程中產(chǎn)生的高甲烷含量的混合氣體，經(jīng)提質(zhì)和凈化后的CH4含量可達(dá)97％以上，生物質(zhì)燃?xì)馐翘烊粴獾膬?yōu)良替代能源，開發(fā)生物質(zhì)燃?xì)獗囟ǔ蔀橹σ浴白灾鳌焙汀熬G色轉(zhuǎn)型”為特征的新一輪的國(guó)家能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變的一支產(chǎn)業(yè)生力軍。目前人們普遍認(rèn)為全球氣候變暖與二氧化碳的含量增加有直接關(guān)系，化石燃料放出的二氧化碳量占到全球二氧化碳總排放量的80％以上。而從天然氣提質(zhì)、生物質(zhì)燃?xì)鈨艋^(guò)程有效地脫碳是符合

2、低碳消費(fèi)精神和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的明智選擇。
　　固載離子液膜相對(duì)于傳統(tǒng)膜分離手段具有通量大、選擇性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，尤其是在生物質(zhì)燃?xì)夥蛛x過(guò)程中有廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為了近年來(lái)世界各國(guó)科研人員研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。本文以固載離子液膜在生物質(zhì)燃?xì)獾拿撎紤?yīng)用為研究背景，提高固載離子液膜的氣體滲透性能和耐壓穩(wěn)定性為研究目標(biāo)，進(jìn)行了一系列改進(jìn)固載離子液膜性能的探索研究，力圖突破支撐離子液膜的產(chǎn)業(yè)化瓶頸，具體的研究工作和結(jié)論包括:
　　

3、1、首先選取研究了不同碳鏈長(zhǎng)度的1-烷基-3-甲基咪唑類離子液膜滲透性能，考察了傳統(tǒng)室溫離子液體支撐液膜氣體分離中影響CO2/CH4滲透系數(shù)和分離選擇性的內(nèi)因和外因:微孔膜基體浸漬室溫離子液體過(guò)程中物理性質(zhì)和化學(xué)性能均無(wú)本質(zhì)改變;在固載離子液膜的氣體分離過(guò)程中僅僅提供了對(duì)于室溫離子液體的容納和對(duì)于液膜體系運(yùn)行過(guò)程的支撐作用，對(duì)于傳統(tǒng)的室溫離子液膜的CO2、CH4氣體滲透性能影響較小;離子液體中陰陽(yáng)離子的選取顯著影響了離子液膜對(duì)于各種氣體

4、的滲透性能，陰離子的選取直接影響到離子液體的粘度而使得離子液體的滲透性能產(chǎn)生顯著提高;陽(yáng)離子的選取同樣會(huì)影響到離子液體的密度與粘度，隨著咪唑陽(yáng)離子烷基鏈長(zhǎng)度的增加，密度逐漸變小而粘度逐漸變大，兩者的協(xié)同作用共同影響了液膜滲透速率的變化趨勢(shì);本部分中所采用的離子液膜受跨膜壓差的影響較小，這一結(jié)果表明常規(guī)的室溫離子液膜在氣體滲透過(guò)程的機(jī)理不含促進(jìn)傳遞機(jī)制，而僅是溶解擴(kuò)散機(jī)制。
　　2、采用自由基聚合反應(yīng)方法和離子交換合成了聚離子液體，

5、將聚離子液體摻雜到相應(yīng)陰離子的室溫離子液體中最終制備復(fù)合型固載離子液膜。經(jīng)1H核磁共振分析聚離子液體的核磁譜圖與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合，表明了合成過(guò)程的正確性;復(fù)合型固載離子液膜的氣體滲透分離性能研究表明:通過(guò)摻雜聚離子液體后使得固載離子液膜的氣體滲透?jìng)鬟f過(guò)程中引入了可以與CO2發(fā)生弱相互作用的骨架陽(yáng)離子，使得CO2氣體分子在離子液體相中選擇性溶解并滲透通過(guò)固載離子液膜的同時(shí)，也可以通過(guò)與骨架陽(yáng)離子弱相互作用的形式而實(shí)現(xiàn)在固載離子液膜內(nèi)的促進(jìn)傳遞

6、。
　　3、采用3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTES)進(jìn)行親水PVDF膜表面改性后制備新的固載離子液膜。考察了PVDF基膜表面改性后的形貌變化，表面看來(lái)膜斷面區(qū)域沒(méi)有明顯的結(jié)構(gòu)性差異，PVDF多孔基膜在被APTES表面改性后依然具有孔分布均勻、孔徑規(guī)整和孔隙率高的特點(diǎn);經(jīng)過(guò)紅外譜圖分析，表面改性后PVDF商品膜在1560 cm-1位置處出現(xiàn)了N-H鍵的彎曲振動(dòng)引起的新的吸收峰，這一結(jié)果有效證明了PVDF表面改性的成功;測(cè)試了改性后固

7、載離子液膜的CO2/CH4氣體滲透性能，并與傳統(tǒng)的室溫離子液膜性能進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)孔道壁的功能化使得固載離子液膜的氣體滲透?jìng)鬟f過(guò)程中引入了可以與CO2發(fā)生可逆反應(yīng)的固定載體位點(diǎn)，固載離子液膜的微孔基體改性后誘導(dǎo)產(chǎn)生了CO2氣體的雙滲透?jìng)鬟f行為，通過(guò)成功的親水膜表面改性證明了在保持CO2高選擇性的同時(shí)提高CO2氣體滲透性能的有效方法。
　　4、采用縮聚反應(yīng)方式探索合成了本征微孔聚合物(polymer of intrinsicmic