CO2捕集用高性能PEO基氣體分離膜的制備及性能研究.pdf

1、二氧化碳(CO2)的大量排放是引發(fā)全球氣候突變的主要原因之一，嚴(yán)重威脅人類的生存環(huán)境，因此必須對(duì)CO2進(jìn)行有效的捕集分離。而膜分離技術(shù)由于其能耗小高效率等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是極具應(yīng)用潛力的CO2捕集分離技術(shù)。聚氧化乙烯(PEO)材料由于其中含有的醚氧基團(tuán)與 CO2之間具有較強(qiáng)相互作用有利于CO2在膜中的傳質(zhì)，被認(rèn)為是制備 CO2捕集用氣體分離膜的最佳材料之一。但是傳統(tǒng)PEO材料由于鏈段規(guī)整性使其具有較高的結(jié)晶度，結(jié)晶區(qū)域的氣體不可滲透性使

2、其氣體滲透性能大幅度降低，必須采取有效的手段抑制PEO的結(jié)晶并采用新的方法提高 PEO的CO2滲透性能才能更為有效的進(jìn)行 CO2捕集。本論文首先利用熱交聯(lián)反應(yīng)制備PEO材料膜以抑制其結(jié)晶行為，然后通過(guò)浸漬后處理提高交聯(lián)PEO膜的氣體滲透性能，最后加入氧化石墨烯(GO)提高交聯(lián)膜的力學(xué)性能。本論文重點(diǎn)研究了交聯(lián)PEO基膜材料的物理化學(xué)性能以及氣體滲透性能，并重點(diǎn)研究了浸漬交聯(lián)膜的氣體滲透性能及滲透機(jī)理。
　　采用兩種不同分子量的氨基

3、官能化的PEO分別與環(huán)氧官能化的PEO，進(jìn)行熱交聯(lián)反應(yīng)制備兩種純PEO交聯(lián)膜。通過(guò)紅外光譜、13C固體核磁、X-射線光電子能譜以及X射線衍射等對(duì)交聯(lián)膜的物理化學(xué)性能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，證明了交聯(lián)膜室溫下為非晶結(jié)構(gòu)。采用分子量為2000的氨基 PEO制備的交聯(lián)膜（HCM）比分子量600的氨基 PEO制備的交聯(lián)膜（LCM）具有更高的自由體積分?jǐn)?shù)，有利于氣體的擴(kuò)散過(guò)程，氣體滲透性能更好。在35℃、10 atm時(shí)，HCM的CO2滲透通量為280

4、Barrer，CO2/H2、CO2/N2以及CO2/CH4分離系數(shù)分別為9.3、48和16.7。
　　采用低分子量聚乙二醇(PEG)水溶液浸漬處理 PEO交聯(lián)膜并系統(tǒng)研究了PEG浸漬對(duì)交聯(lián)膜氣體滲透性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)浸漬膜的氣體滲透通量隨著PEG分子量的增大而先增大后降低，對(duì)氣體分離性能沒(méi)有明顯影響；PEG端基對(duì)氣體的滲透通量以及分離系數(shù)影響非常顯著，采用雙甲醚PEG浸漬交聯(lián)膜的效果最好；進(jìn)一步的研究PEG浸漬增重對(duì)于浸漬膜性能

5、的影響，發(fā)現(xiàn)隨著交聯(lián)膜浸漬增重的增加，膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低，分子鏈段柔順性增大；同時(shí)浸漬膜的自由體積分?jǐn)?shù)明顯提高，有利于氣體的擴(kuò)散過(guò)程，使氣體滲透性能得到顯著的提高。采用雙甲醚PEG浸漬交聯(lián)膜時(shí)，獲得CO2的滲透通量最大為1716 Barrer，CO2/H2和CO2/N2的分離系數(shù)分比為12.5和53。
　　利用改進(jìn)的Hummer法制備了氧化石墨烯，對(duì)其物理化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明制備的氧化石墨烯表面帶有豐富的含氧基

6、團(tuán)。制備了GO/PEO復(fù)合膜，測(cè)試結(jié)果表明GO不是簡(jiǎn)單的共混在PEO交聯(lián)結(jié)構(gòu)中，而是因?yàn)樽陨韼в胸S富的環(huán)氧基團(tuán)，因此參與到了PEO交聯(lián)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建當(dāng)中，GO與PEO之間形成了良好的界面結(jié)合。對(duì)GO/PEO復(fù)合膜進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn) GO的加入使復(fù)合膜的拉伸強(qiáng)度以及拉伸模量都有了明顯的提高，抗形變能力增強(qiáng)，拉伸模量最大提升386％。測(cè)試了不同含量的GO對(duì)于復(fù)合膜氣體滲透性能的影響，發(fā)現(xiàn) GO含量為1.0 wt.%時(shí)復(fù)合膜的氣體滲透性最好