支撑型离子液体膜的制备及气体分离性能研究

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离子液体(ionic liquid,IL)具有高CO2溶解能力、不挥发和结构可设计等优点,是新一代绿色溶剂,近年来有很多学者将其用于温室气体CO2的吸收和捕集。支撑型离子液体膜(supported ionic liquid membrane,SILM)是将IL负载于多孔支撑体形成的新型膜材料,解决了传统支撑液膜液相易流失的缺点,具有广阔的应用前景。相较于传统浸渍、涂布法,使用超临界流体沉积(supercritical fluid deposition,SCFD)法制备SILM能够在保证气体选择性的前提下,通过减薄液膜厚度来提高CO2渗透率,值得深入探究。本文使用热涂布法自制了具有三层结构的氧化铝支撑体,并通过SCFD法分别将两种离子液体[Emim][BF4]、[Emim][Tf2N]负载于其孔道内制备了SILMs,探究了对多个制备参数对SILMs的性能的影响规律:(1)综合考虑SILM的IL负载量Δm、CO2渗透率Pa,CO2和CO2/N2选择性αCO2/N2,探究IL在支撑体内的沉积过程,并发现沉积压力和沉积温度对SILM性能的影响有限,而沉积时间、IL加入量和共溶剂加入量则是影响SILM性能的主要因素。(2)当固定沉积温度50℃,沉积压力12 MPa时,[Emim][BF4]-SILMs的最佳沉积时间、IL加入量和乙醇加入量分别为1 h、1.875 mg/mL和11.25vol%,该条件下所制得的[Emim][BF4]-SILMs的Δm为2.6 mg/g,在30℃下测得的Pa,CO2和αCO2/N2分别为6.4 GPU和45.3。此时的SILMs既接近于[Emim][BF4]的理论选择性上限,又达到了Robeson上限,同时具有良好的CO2气体渗透率和选择性。(3)当固定沉积温度50℃,沉积压力12 MPa时,[Emim][Tf2N]-SILMs的最佳沉积时间、IL加入量和乙醇加入量分别为6 h、2.5 mg/mL和3.75vol%,该条件下所制得的[Emim][Tf2N]-SILMs的Δm为2.3 mg/g,在30℃下测得的Pa,CO2和αCO2/N2分别为22.6GPU和27.1。此时的SILMs达到了[Emim][Tf2N]的理论选择性上限,且具有较大的CO2气体渗透率,气体分离性能接近Robeson上限。(4)对比使用不同ILs制备的SILMs,探究了IL的物性参数对SILM的制备过程和性能的影响,发现使用表面张力较大的离子液体[Emim][BF4]能够促进沉积,极大地提升SILM的制备效率;而表面张力较小的[Emim][Tf2N]在支撑体中间层中的沉积被显著抑制,经过6 h的沉积仅在支撑体的致密表层中形成了连续、完整的液膜,大幅提高了CO2渗透率;还发现:IL摩尔体积越大,溶解度参数越小,更易于溶解于scCO2-乙醇体系,对制备过程有利;同时也有更强的CO2气体溶解能力,有利于提升SILM的渗透率。此外,IL粘度低时同样更有利于CO2扩散,提高渗透率。
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