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煤、石油、天然气等化石能源的过度使用引发日益严重的温室效应,直接影响人类社会的可持续发展。因此,世界上许多国家积极提出应对措施。为了解决这一问题,CO2的捕集显得格外重要,常用的CO2捕集方法有吸收法、吸附法、低温蒸馏法和膜分离法等,其中膜分离法因其环境友好、效率高和投资少等优点作为一种新型的CO2捕集技术受到人们的广泛关注和研究。本文为了制备高性能的混合基质膜用于CO2分离,选用磺化聚醚醚酮(SPEEK)作为高分子基质,向其中分别添加NaY及改性NaY制备得到混合基质膜,探究膜构成与性能之间的关系,具体研究内容如下:
(1)为了制备高性能的混合基质膜,将NaY直接添加到SPEEK基质中制备得到SPEEK/NaY混合基质膜。采用红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)、X-射线小角散射(SAXS)及扫描电镜(SEM)对混合基质膜进行表征。考察了水含量、NaY含量、进料气压力和测试温度对混合基质膜气体分离性能的影响,测试了混合基质膜在进料气为混合气条件下的气体分离性能和长时间稳定性。FTIR结果表明SPEEK与NaY之间存在氢键作用,SPEEK与NaY之间良好的相容性可由SEM结果证明,SAXS结果证明NaY的加入会提高分子链间距。膜内NaY含量为20wt%时,气体分离性能达到最优(CO2渗透性为765Barrer,CO2/N2选择性为63),超过了2008年的Robeson上限。膜运行360h后,渗透性和选择性平均为730Barrer和58,保持较好的稳定性能。这主要是因为NaY在膜中分散均匀,且SPEEK与NaY之间存在较强的氢键作用,使得NaY在膜内能更好的发挥分子筛分性能。
(2)为了制备性能更优异的混合基质膜,我们制备得具有促进传递筛分孔的K-NaY-NH2,随后与SPEEK共混制备得到SPEEK/K-NaY-NH2混合基质膜,用于CO2/N2分离。采用FTIR、XRD和氮吸附对K-NaY-NH2进行表征。并探究了水含量、K-NaY-NH2含量、进料气压力和测试温度等对混合基质膜气体分离性能的影响。测试了其混合气分离性能和稳定性能。结果表明:SPEEK/K-NaY-NH2-20混合基质膜在1bar和25℃下,CO2渗透性和CO2/N2选择性分别为917Barrer和82,远远超过了2008年Robeson上限。主要是因为NaY经过改性后,其比表面积、孔体积及孔径均有所降低,且表面带有促进CO2传递的氨基,可有效提高气体分离性能。并对混合基质膜进行混合气测试,发现在混合气中气体分离性能略低于纯气,且具有360h的稳定性,表明制备得到的混合基质膜具有一定的工业应用前景。
(1)为了制备高性能的混合基质膜,将NaY直接添加到SPEEK基质中制备得到SPEEK/NaY混合基质膜。采用红外光谱(FTIR)、X-射线衍射(XRD)、X-射线小角散射(SAXS)及扫描电镜(SEM)对混合基质膜进行表征。考察了水含量、NaY含量、进料气压力和测试温度对混合基质膜气体分离性能的影响,测试了混合基质膜在进料气为混合气条件下的气体分离性能和长时间稳定性。FTIR结果表明SPEEK与NaY之间存在氢键作用,SPEEK与NaY之间良好的相容性可由SEM结果证明,SAXS结果证明NaY的加入会提高分子链间距。膜内NaY含量为20wt%时,气体分离性能达到最优(CO2渗透性为765Barrer,CO2/N2选择性为63),超过了2008年的Robeson上限。膜运行360h后,渗透性和选择性平均为730Barrer和58,保持较好的稳定性能。这主要是因为NaY在膜中分散均匀,且SPEEK与NaY之间存在较强的氢键作用,使得NaY在膜内能更好的发挥分子筛分性能。
(2)为了制备性能更优异的混合基质膜,我们制备得具有促进传递筛分孔的K-NaY-NH2,随后与SPEEK共混制备得到SPEEK/K-NaY-NH2混合基质膜,用于CO2/N2分离。采用FTIR、XRD和氮吸附对K-NaY-NH2进行表征。并探究了水含量、K-NaY-NH2含量、进料气压力和测试温度等对混合基质膜气体分离性能的影响。测试了其混合气分离性能和稳定性能。结果表明:SPEEK/K-NaY-NH2-20混合基质膜在1bar和25℃下,CO2渗透性和CO2/N2选择性分别为917Barrer和82,远远超过了2008年Robeson上限。主要是因为NaY经过改性后,其比表面积、孔体积及孔径均有所降低,且表面带有促进CO2传递的氨基,可有效提高气体分离性能。并对混合基质膜进行混合气测试,发现在混合气中气体分离性能略低于纯气,且具有360h的稳定性,表明制备得到的混合基质膜具有一定的工业应用前景。