聚氧乙烯基CO2分離膜的可控制備與傳遞機制強化.pdf

1、開發(fā)高效率、低能耗的CO2捕集技術(shù)是實現(xiàn)溫室氣體減排和能源氣體凈化的共性關(guān)鍵問題。膜技術(shù)是最具發(fā)展前景的CO2捕集技術(shù)之一，開發(fā)高滲透性、高選擇性、低成本的CO2分離膜材料則是膜技術(shù)用于CO2捕集的重要需求。為此，需從分子水平深入揭示 CO2傳遞機制，設(shè)計與之相適應(yīng)的膜結(jié)構(gòu)。本研究以深入揭示和強化CO2分離膜的傳遞機制為目標，以PEO基共聚物Pebax為高分子膜材料，采用簡便、溫和的制膜方法制備了一系列具有適宜親疏性和自由體積特性的CO

2、2分離膜，提出了膜溶解機制與擴散機制獨立強化和協(xié)同強化的策略，實現(xiàn)了CO2/CH4、CO2/N2的高效分離，以期為高性能 CO2分離膜的規(guī)模化制備提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。主要研究結(jié)果如下：
　　膜溶解機制強化：提出了基于表面偏析原理在復(fù)合膜的活性層/支撐層界面富集PEO鏈段、強化膜溶解機制的膜設(shè)計制備方法。界面處富集的PEO既強化了膜的溶解機制，又改善了復(fù)合膜在濕態(tài)下的界面粘合效果。濕態(tài)復(fù)合膜的CO2滲透速率達到1275 GPU，

3、CO2/N2選擇性達到110，較干態(tài)膜有顯著提高。
　　膜擴散機制強化：受自然界中生物粘合現(xiàn)象，特別是金屬離子增強的海洋貽貝類粘合系統(tǒng)啟發(fā)，將 Fe3+與多巴胺配位的金屬–有機納米聚集體以原位生成的方式引入到Pebax高分子基質(zhì)中，制備了一類新型的高分子–無機納米雜化膜；通過調(diào)節(jié)金屬–有機納米聚集體的組成和含量，實現(xiàn)了納米雜化膜鏈剛性和鏈間距的精細調(diào)控，進而實現(xiàn)了擴散機制強化，在干態(tài)下膜的CO2/CH4分離性能略微超越了2008年

4、報道的Robeson上界，膜的CO2/CH4選擇性可達70以上。在濕態(tài)下，膜的CO2滲透系數(shù)顯著增加，但CO2/CH4選擇性同步降低。
　　膜溶解–擴散機制協(xié)同強化：以利用鹽析效應(yīng)強化膜傳遞機制為出發(fā)點，向Pebax中摻雜堿金屬鹵鹽、堿土金屬鹵鹽、磷鎢酸鹽和木質(zhì)素磺酸鹽，設(shè)計制備了系列聚合物電解質(zhì)膜，并首次將其用于CO2分離。濕態(tài)下，水導(dǎo)致的溶脹作用以及水和鹽共同作用產(chǎn)生的鹽析效應(yīng)抵消了干態(tài)下鹽與高分子絡(luò)合作用的不利影響，同時強化

5、了膜的溶解機制和擴散機制。膜自由水含量越高，CO2滲透系數(shù)越高；膜結(jié)合水含量越高，鹽析效應(yīng)越強，選擇性越高。系統(tǒng)研究了陽離子與陰離子類型對膜水含量、水狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)鈣鹽和木質(zhì)素磺酸鹽最有利于提高膜的自由水含量，而鎂鹽和磷鎢酸鹽最有利于提高膜的結(jié)合水含量。膜的CO2/N2、CO2/CH4分離性能均顯著超越了2008年的Robeson上界。膜的CO2滲透系數(shù)大于2000 Barrer，CO2/N2、CO2/CH4選擇性分別大于100和30