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煤层气中通常会混入氮气(N2)等杂质气体使甲烷(CH4)浓度过低而无法直接使用,并且因为缺乏经济又有效的CH4富集工艺,这部分煤层气常采用排放或者点燃方式进行处理,导致资源浪费与环境污染,因此,CH4的富集特别是CH4和N2的有效分离对于煤层气的合理利用具有重要意义。由于CH4和N2的分子动力学直径大小相近,极性相似,选择高分子致密膜分离更为有效,而在膜分离工艺中,气体渗透性与选择性之间却往往存在一个相互制约的关系,即所谓的气体分离上限(“Robeson upper bound”)。一些嵌段聚合物会兼具“硬段”(玻璃态聚合物)的高选择性以及“软段”(橡胶态聚合物)的高渗透性,是可能突破气体分离上限的潜在材料。据此,本文采用溶液涂膜法,制备了主要基于嵌段聚醚酰胺(Pebax)的气体分离膜,对膜的结构、热性能、形貌进行了表征,并首次测试了薄膜对CH4/N2单气体以及CH4/N2(CH4/N2=10:90 vol%)混合气体的分离效果。主要工作如下:1.以具有不同聚酰胺(PA)与聚醚(PE)含量的Pebax2533(PE 80wt%,PA 20wt%)、Pebax3533(PE 70wt%,PA30wt%)、Pebax4033(PE 53wt%,PA47wt%)为原料,N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)为溶剂,制备了一系列Pebax薄膜。利用红外光谱(FT-IR)、差示扫描量热分析(DSC)以及原子力显微镜(AFM)对薄膜的结构、热性能、形貌进行了表征,并对单气体CH4/N2分离性能进行了测试。结果表明,半结晶态聚酰胺(PA)以不同的形态分散在无定型聚醚(PE)基质中,随着PA含量的增加(Pebax2533到Pebax4033),PA结晶度增加且熔点增大。由于聚酰胺(PA)与聚醚(PE)链段对气体渗透性存在差异,因此三种Pebax薄膜对CH4/N2分离性能各异。单气体测试结果表明,CH4与N2的渗透系数随着温度的升高而增大,随着压力的增大而减小,CH4/N2选择性变化趋势与气体渗透系数变化趋势相反。三种Pebax薄膜中,Pebax2533薄膜对CH4与N2表现出最好的渗透性,分别为67.4 Barrer、24.2 Barrer(1.0atm,55oC)。2.将适量的SBS1301加入分离性能良好Pebax2533中,制备了Pebax/SBS复合膜。利用红外光谱(FT-IR)、热重(TG)以及扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、差示扫描量热分析(DSC)、X射线衍射(XRD)对复合膜的结构、热性能、形貌等进行了表征,并对单气体CH4/N2分离性能进行了测试。结果表明,加入SBS后,Pebax/SBS复合膜热稳定性与Pebax薄膜相比变化不大。SBS的加入使Pebax中晶态PA链段的规整性遭到破坏,进而使晶态PA含量减少,气体渗透系数增加。Pebax/SBS(10wt%)复合膜的气体渗透系数最高,大于同条件下Pebax与SBS的气体渗透系数。55oC时,CH4渗透系数比Pebax薄膜CH4气体渗透系数增加了60%,达到106.2 Barrer。单气体测试还表明,复合膜的CH4与N2的渗透系数随着温度的升高而增大,随着压力的增大而减小。3.为了进一步考察聚合物薄膜在生产中的实用性,为工业应用提供理论指导,本实验选取了分离性能较好的Pebax2533以及Pebax/SBS(10wt%)薄膜进行了CH4/N2(CH4/N2=10:90 vol%)混合气体分离性能测试。结果表明,改变温度的条件下,Pebax2533、Pebax/SBS(10wt%)混合气中CH4的体积分数可以从10%分别提高到21.7%、26.4%。改变压力的条件下,Pebax2533、Pebax/SBS(10wt%)混合气中CH4的体积分数可以从10%分别提高到22.9%、27.1%。混合气体的测试表明Pebax聚合物具有富集低浓度煤层气中甲烷气体的应用潜能。