论文部分内容阅读
近年来,气体膜分离已发展成为独立的化工操作单元,其核心仍是开发兼具高气体渗透性与高选择性的膜材料。其中,将高性能的分散相微-纳米颗粒作为分散相引入聚合物膜基质中所制备的混合基质膜已成为膜材料开发领域的研究热点之一。针对混合基质膜中聚合物基质相易渗入分散相颗粒中堵塞微-纳米颗粒微通道,从而使得高性能的微/纳米颗粒不能很好的发挥作用这一问题。本论文从混合基质膜的成膜方式和分散相颗粒构型分别为出发点,探究防止分散相颗粒微通道被堵塞的方法,进而制备出高性能的混合基质膜材料与分离膜。一方面从成膜方式入手,采用聚合物基质先固化,分散相颗粒后固化成型的思路,从而避免常规方法中聚合基质相渗入微-纳米颗粒微通道中。论文通过一步法制备以含氮碳纳米颗粒（Nitrogen-doped porous carbons,NDPC）为分散相,自具微孔聚合物（Polymer of intrinsic microporosity,PIM）为聚合物基质的混合基质膜。考察了热处理成膜温度及NDPC含量对混合基质膜性能的影响。结果表明,NDPC与聚合物基质之间具有良好的相容性,并且在膜内分散均匀。在NDPC含量为2 wt.%和5 wt.%时,混合基质膜的CO2渗透性分别是原膜的9.35倍和11.92倍,且O2/N2以及CO2/N2选择性保持良好。另一方面从分散相微-纳米颗粒的构型入手,采用界面聚合-微乳体系法制备具有致密壳层的中空纳米微球（Hollow nanoparticles,HNPs）,然后将其分别引入聚醚嵌段酰胺(（poly（ether-block-amide）,Pebax）、硅橡胶（polydimethylsiloxane,PDMS）、PIM、聚醚酰亚胺（polyetherimide,PEI）制备以中空纳米微球（Hollow nanoparticles,HNPs）的为分散相的混合基质膜HNPs/Pebax、HNPs/PDMS、HNPs/PIM、HNPs/PEI。考察了中空纳米微球的种类及含量分别对混合基质膜的性能的影响。结果表明,中空微球与聚合物基质之间具有良好的相容性,并且在膜内分散均一,将他们掺入到聚合物基质中后,其中在以PIM-1为聚合物基质时,混合基质膜的CO2渗透性是原膜的2.2倍,且O2/N2以及CO2/N2选择性保持良好。基于上述混合基质膜的性能与特点,论文采用以HNPs为分散相的混合基质膜为选择性皮层,采用聚丙烯腈多孔膜为支撑层,通过涂覆法制备复合膜,考察了预处理方式和提拉速度对复合膜性能的影响。结果表明,在复合膜中间加上过渡层,在提拉速度为1 m/min时,复合膜保持了自支撑膜选择性的条件下,CO2的渗透性可以达到4000 GPU,具有很大的应用潜力。