【摘 要】
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与其他气体分离技术(例如基于蒸馏和吸收工艺的技术)相比,膜分离技术是用于气体分离和纯化的绿色节能技术。由于它们的能源成本低,分离效率高,占地面积小和可靠性高,因此膜装置
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与其他气体分离技术(例如基于蒸馏和吸收工艺的技术)相比,膜分离技术是用于气体分离和纯化的绿色节能技术。由于它们的能源成本低,分离效率高,占地面积小和可靠性高,因此膜装置在全球范围内可以大规模用于气体分离。掺杂的聚苯并咪唑(PBI)类膜具有良好的热稳定性和机械性能,是一种良好的高温质子导体材料,因而在氢渗透领域备受关注。但是PBI仍需要掺杂电子导体,构建电子通道,以形成基于质子和电子的混合传导机理的氢气渗透机制,获得高纯度的氢气。因此,本论文主要以高温质子导体PBI为原料,采用双官能度交联剂进行共价交联提高机械性能,通过掺杂电子导体,形成电子和质子混合通道,以构建混合导体膜,并用于氢气的纯化。以3,3′-二氨基联苯胺(DABz)和间苯二甲酸(IPA)为原料,采用“熔融聚合法”制备了低分子量的聚[2,2’-(间苯基)-5,5’-联苯并咪唑](m PBI);以异氰尿酸三缩水甘油酯(TGIC)为交联剂,以片状石墨作为电子导体,浸渍磷酸得到m PBI-TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜。对交联复合膜进行结构和性能表征,结果表明交联复合膜具有良好的机械强度和抗氧化稳定性。用于H2/CO2混合气体分离,300°C时,氢气选择性高达100%,渗透通量为0.14 m L min-1 cm-2。280°C时,可稳定运行160 h,表明m PBI-TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜具有良好的耐高温性。随着温度的升高,膜内磷酸基团逐渐分解,m PBI-TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜的质子传导能力降低,导致m PBI-TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜的氢渗透速率迅速下降。为了解决这些问题,掺杂磺化石墨烯作为电子导体与m PBI发生交联反应,质子沿着SG的磺酸基团和PBI的咪唑环之间的交联部位传递,形成质子-电子混合导体,流延法制备m PBI-TGIC/SG交联复合膜。由于磺化石墨烯(SG)的加入,相较m PBI-TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜,m PBI-TGIC/SG交联复合膜的溶胀率较低,致密性较好。对于H2/CO2混合气体分离,300°C时,氢气选择性仍为100%,渗透通量高达0.22 m L min-1 cm-2;280°C时,仍可稳定运行160 h,无衰减;这些表明m PBI-TGIC/SG交联复合膜有望用于高温氢气分离。
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