具有多種選擇透過(guò)機(jī)制的高性能CO2分離膜.pdf

1、CO2分離膜技術(shù)在能源氣體凈化和溫室氣體減排領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)緩解當(dāng)前能源和環(huán)境危機(jī)具有重要意義。但是，目前膜的CO2分離性能不夠
　　高，限制了其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。提高膜 CO2分離性能的傳統(tǒng)方法是強(qiáng)化單一的選擇透過(guò)機(jī)制。這帶來(lái)兩方面的問(wèn)題：第一，構(gòu)筑和調(diào)控膜結(jié)構(gòu)的手段單一，難以避免不良膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，從而限制膜性能提高；第二，無(wú)法充分利用氣體分子在多個(gè)方面的性質(zhì)差異，從而很難實(shí)現(xiàn)對(duì)多種含 CO2物系的高效分離。本文提出并驗(yàn)

2、證了解決這些問(wèn)題的有效途徑為：聯(lián)合多種選擇透過(guò)機(jī)制，制備多選擇機(jī)制膜。聯(lián)合多種選擇透過(guò)機(jī)制可以從多個(gè)方面優(yōu)化膜結(jié)構(gòu)，提高膜性能。同時(shí)，多選擇機(jī)制膜可以充分利用氣體分子在尺寸、冷凝性和反應(yīng)性等多方面性質(zhì)差異，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種含CO2物系的高效分離。
　　首先，采用界面聚合，選用均苯三甲酰氯（TMC）為油相單體，含醚氧鏈段的二胺為水相單體，制備了兼具擴(kuò)散和溶解選擇機(jī)制的膜。TMC在膜內(nèi)形成剛性的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化膜的擴(kuò)散選擇性。醚氧基團(tuán)與CO2

3、有強(qiáng)極性作用，從而提高CO2的溶解度，強(qiáng)化膜的溶解選擇性。分別采用含有21個(gè)醚氧基團(tuán)的聚乙二醇二胺（DAmPEG）和含有3個(gè)醚氧基團(tuán)的4,7,10-三氧-1,13-癸烷二胺（DGBAmE）為水相單體，考察了單體的醚氧鏈段長(zhǎng)度不同所導(dǎo)致的成膜過(guò)程、膜結(jié)構(gòu)及分離性能的差異。結(jié)果表明，DGBAmE在聚合過(guò)程中擴(kuò)散速率更快，并更易于擴(kuò)散透過(guò)初生膜，從而形成交聯(lián)度更高的膜，使膜具有更高的分離性能。該工作實(shí)現(xiàn)了膜材料開發(fā)與成膜性考察同時(shí)進(jìn)行，從而加

4、速了新型膜材料實(shí)用進(jìn)程。
　　然后，以TMC為油相單體，以DGBAmE和含叔胺的N’N-雙(3-氨丙基)甲胺（DNMDAm）共同為水相單體，制備兼具擴(kuò)散、溶解和反應(yīng)選擇機(jī)制的多選擇機(jī)制膜。結(jié)果表明，多選擇機(jī)制膜具有理想的膜結(jié)構(gòu)，例如，含有功能基團(tuán)的交聯(lián)結(jié)構(gòu)、合適剛性的分子鏈及較低的結(jié)晶度等。同時(shí)，多選擇機(jī)制膜可以充分利用氣體分子在多方面的性質(zhì)差異。因此，多選擇機(jī)制膜對(duì)CO2/H2、CO2/CH4和CO2/N2混合氣均表現(xiàn)出優(yōu)異的選

5、擇透過(guò)性能，性能處于文獻(xiàn)報(bào)道的先進(jìn)水平。
　　此外，發(fā)展了促進(jìn)傳遞模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，考察了微量SO2對(duì)多選擇機(jī)制膜氣體傳遞特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SO2濃度不高于5000ppm時(shí)，膜的CO2/N2分離性能僅輕微下降。模型分析表明，分離性能下降的原因是 SO2與CO2在膜內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)吸著及競(jìng)爭(zhēng)與載體反應(yīng)，但是嚴(yán)重的濃差極化現(xiàn)象使SO2在膜表面分壓極低，因此SO2對(duì)分離性能的影響不顯著。研究表明，多選擇機(jī)制膜可以耐受煙道氣中微量SO2，在煙