含柔性链段聚砜膜的制备及其在CO2/CH4分离中的应用

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沼气,广泛用于民用和工业的可再生清洁能源,是由秸秆、污水中的有机物在严格无氧的环境下发酵生成的一种可燃气体。尽管沼气用途广泛,但是由于沼气中含有较多的CO2,不仅会使得沼气的热值和燃烧势降低,而且会对天然气管道产生腐蚀作用。未经纯化的沼气,其CH4浓度低于车用燃料和管道天然气需要的浓度,不能直接进行使用。因此,对沼气中的CH4与CO2进行分离就显得尤为重要。相较于其它的分离方法(如:深冷分离法、PSA法),有机膜分离法具有成膜性好、易操作、投资少的优势,一直受到广泛关注。其中,聚砜(PSF)因其良好的成膜性和气体选择性,被广泛用于气体分离性能的研究。但是因其气体透过速率较差,阻碍了聚砜类膜的进一步发展。合成一种兼具柔性链段和刚性链段的共聚物,是改性高聚物常见有效的一种方法。因此,本文采用缩聚的合成方法,制备了PSF-PEG和PSF-PDMS两种共聚物,对其结构进行了表征;并用溶液涂膜法,制备了一系列气体分离膜,对膜的热稳定性及结构进行了表征,同时考察了温度、压力、PEG分子量、PEG含量、PDMS含量对气体分离膜的影响。主要的工作内容如下:(1)选用六氟双酚A,4,4-二氟二苯砜及PDMS4200为单体,制备了一系列不同PDMS含量的PSF-PDMS,通过1H-NMR和FT-IR对其结构进行表征,结果表明PSF-PDMS成功制备。测试了PDMS含量为5%和10%的PSF-PDMS膜在不同温度下(25℃,35℃,45℃,55℃),对CO2,CH4的透气量和理想分离系数。测试结果表明:随着PDMS含量的增加,PSF-PDMS膜对CO2和CH4的透气量呈现逐渐增大的规律;随着温度的增加,PSF-PDMS膜对CO2和CH4的透气量都表现出逐渐增大的规律。在1atm,55℃下,PDMS含量为10%的PSF-PDMS膜对CO2的渗透量为73.7Barrer,CO2/CH4的选择性为4.2。(2)选用六氟双酚A,4,4-二氟二苯砜及PEG2000/PEG1000制备了一系列不同PEG含量的PSF-PEG,通过1H-NMR和FT-IR对其结构进行表征,结果表明PSF-PEG成功制备。对PSF-PEGs膜进行了TGA分析,其分解温度为350℃。考察了PEG分子量为1000和2000,PEG含量为5%、10%、15%、20%的PSF-PEGs膜在不同压力(0.5atm,1.0atm,1.5atm)、不同温度(25℃,35℃,45℃,55℃)的条件下,对CH4,CO2的透气量,扩散系数,溶解系数以及理想分离系数。测试结果表明:随着压力的增加,PSF-PEGs膜对CO2、CH4的透气量呈逐渐减少的规律;随着温度的增加,PSF-PEGs膜对CO2、CH4的透气量呈逐渐增大的规律;随着PEG含量的增加,PSF-PEGs膜对CO2、CH4的透气量呈逐渐减少的规律;相较于PSF-PEG1000-y膜,PSF-PEG2000-y膜对CO2、CH4的透气量更高。在25℃,1.5atm条件下,PSF-PEG2000-20膜的CO2透气量为6.4Barrer,CO2/CH4的选择性为43.0。
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