电解质—熔盐复合中空纤维膜的制备与性能研究

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本论文采用相转化法制备了氧化钇稳定氧化锆(YSZ)中空纤维电解质膜,系统研究了聚合物种类与浓度、芯液组成、外凝胶液组成等因素对中空纤维膜结构与性能的影响;制备了YSZ电解质-熔盐双相复合中空纤维膜,考察了双相中空纤维对膜的结构及其高温条件下的CO2分离性能。以聚醚砜为聚合物粘结剂、NMP为溶剂、NMP+水+乙醇混合液为芯液,利用相转化法制备了YSZ中空纤维膜陶瓷膜,考察铸膜液中聚合物浓度和芯液组成对中空纤维膜性能的影响。结果表明,随着铸膜液中聚砜含量增加,YSZ中空纤维膜的机械强度增大,孔隙率及水通量减小,气密性增强。当聚砜含量达到75%时,中空纤维膜的机械强度达到最大45.8MPa,这时膜的孔隙率约48%,水通量为75 m3/(m2·h)。保持芯液中NMP含量不变而增加水含量或减少乙醇含量,YSZ中空纤维膜的海绵孔层增厚,指状孔数目减少,内外表面孔径逐渐减少,而膜的机械强度增大,孔隙率及水通量减小,气密性增强。当芯液中含有30%水时,膜的机械强度达到76.34MPa,这时膜的孔隙率为58.3%,水通量为62.04m3/(m2·h)。利用改进相转化法制备了具有不同微观结构及性能的YSZ中空纤维电解质膜,考察了芯液流量、外凝胶液组成等对膜性能的影响。结果表明,芯液流速为16mL/min时比较合理。当外凝胶液组成为NMP和水的混合物,外表面结构相似,没有明显变化,膜的孔隙率在40%~60%之间。作为外凝胶液的低含量乙醇和水,对中空纤维膜外表面影响均不大。当外凝胶液为PESf和NMP时,YSZ中空纤维膜的外表面有了明显变化。外表面呈现排列规则的大孔,孔隙率在60%以上。以多孔YSZ中空纤维膜为基底,熔融碳酸盐为浸渍液,利用浸渍方法制备了YSZ-熔盐复合双相中空纤维膜,组装了高温CO2中空纤维膜分离器,测定了双相膜不同温度下的CO2分离性能。结果表明,浸渍碳酸盐后,双相膜的表面有了明显变化,反应后碳酸盐分布更加均匀。950℃时CO2的渗透率达到了0.22 mL· cm-2 ·min-1,是550℃条件下CO2通过率的10倍,与片状膜相比,中空纤维膜的CO2渗透率有了显著提高。
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