滴涂法制备用于分离CO2/N2的混合基质复合膜及性能研究

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CO2减排已成为目前环境问题的一大热点,膜分离法作为一种高效节能的新型分离技术,已被广泛用于分离CO2气体,研究开发高渗透性和高选择性的CO2分离膜材料成为当下研究的热点。本文以开发高性能混合基质复合膜为目的,以商业聚砜(PSf)超滤膜为底膜,以疏水性聚二甲基硅氧烷(PDMS)为“gutter layer”层,以PEO基共聚物Pebax1657为选择层高分子材料。在Pebax1657基质中添加一系列具有不同维度的无机纳米材料,如二维的二硫化钼纳米片(MoS2),一维的埃洛石纳米管(HNTs)和零维的ZIF-8纳米颗粒,通过滴涂(Drop-coating)方法制备用于分离CO2/N2的混合基质复合膜。主要研究内容如下:  (1)MoS2-Pebax/PDMS/PSf混合基质复合膜的制备  采用Drop-coating法在PSf超滤膜表面涂敷浓度为2%的PDMS“gutter layer”层,以Pebax1657为膜材料,制备Pebax/PDMS/PSf复合膜,当Pebax1657浓度为3%时复合膜具有最优的气体渗透选择性能,此时CO2渗透速率为38.8GPU,CO2/N2选择性为44。在此基础上,将剥离后的二硫化钼(MoS2)纳米片加入到Pebax溶液中配制MoS2-Pebax铸膜液,用Drop-coating方法将铸膜液滴涂到PDMS/PSf膜表面,制得混合基质复合膜。通过气体渗透性能测试表明,当MoS2浓度为0.15%时复合膜的气体分离性能达到最好,CO2的渗透速率为17.25GPU,CO2/N2选择性为93。该复合膜具有良好的稳定性。  (2)mHNTs-Pebax/PDMS/PSf混合基质复合膜的制备  采用Drop-coating法在PSf基膜表面涂敷PDMS层,以Pebax1657为膜材料,将PSS改性后的一维埃洛石纳米管(HNTs)加入到Pebax1657基质中,通过Drop-coating方法制备出一种具有非常高的CO2/N2选择性的mHNTs-Pebax/PDMS/PSf混合基质复合膜。结果表明:当进料气压力为0.3MPa,mHNTs含量为0.1%时,CO2/N2选择性达到240,CO2渗透速率为10.8GPU,并且具有良好的稳定性,mHNTs复合膜已超过Robeson上限线。  (3)ZIF-8-Pebax/PDA/PDMS/PSf混合基质复合膜的制备  采用Drop-coating的方法在PSf基膜表面涂敷PDMS层,将多巴胺PDA层涂敷在PDMS层表面来提高PDMS层表面的亲水性,通过温和的方法合成零维的ZIF-8纳米颗粒,在Pebax基质中添加ZIF-8颗粒,通过Drop-coating法制备ZIF-8-Pebax层。结果表明:PDA自聚反应时间为10min时能够将PDMS表面充分改性。ZIF-8复合膜在ZIF-8含量较低时,低压下有良好的渗透选择性能,CO2渗透速率为19GPU左右,CO2/N2选择性达到了190,ZIF-8在复合膜内起到很好的气体分离作用。  由于基于无机纳米材料的CO2分离混合基质复合膜具有较高的CO2/N2选择性,因此,该复合膜在CO2/N2气体分离方面有很好的应用前景。
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