多孔材料改性聚二甲基硅氧烷-聚醚酰亞胺用于氣體分離的研究.pdf

1、在天然氣的開采過(guò)程中，伴生有大量的CO2氣體，CO2的存在會(huì)降低天然氣的熱值，同時(shí)會(huì)增加運(yùn)輸過(guò)程中的安全隱患，通過(guò)氣體膜分離過(guò)程去除天然氣中的CO2是一種簡(jiǎn)便高效的方法。如今，使用最廣泛的氣體膜分離材料是傳統(tǒng)的高分子有機(jī)材料，然而高分子有機(jī)膜的分離性能與滲透性能之間相互制約，且不能通過(guò)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)改性的方法克服;無(wú)機(jī)膜在分離與滲透性能上遠(yuǎn)優(yōu)于高分子有機(jī)膜，然而卻由于技術(shù)限制，現(xiàn)階段生產(chǎn)成本較高。因此將二者優(yōu)勢(shì)結(jié)合，制備出高性能的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)

2、合膜，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。
　　向聚合物中加入具有特殊吸附作用的多孔無(wú)機(jī)材料可以提高聚合物的分離性能并增強(qiáng)其滲透性能。ZSM-5分子篩與金屬有機(jī)骨架化合物Cu3(BTC)2均是具有規(guī)則孔徑與較大孔隙率的材料，大量的研究表明，向高分子有機(jī)膜中填充ZSM-5分子篩與Cu3(BTC)2可以提高復(fù)合膜的整體性能。
　　本文首先將ZSM-5分子篩填充至聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，制備了聚二甲基硅氧烷/聚醚酰亞胺(PEI)復(fù)合膜，并考察

3、了ZSM-5分子篩填充量與原料氣壓力對(duì)復(fù)合膜滲透與分離性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZSM-5分子篩填充量為20％的復(fù)合膜分離效果最佳，CO2/CH4的分離因子達(dá)到4.63，O2/N2達(dá)到2.7，比純PDMS膜材料分別提升32.3％與22.7％，但是通過(guò)電鏡圖發(fā)現(xiàn)，ZSM-5分子篩在PDMS中分散不均勻，進(jìn)一步放大后發(fā)現(xiàn)，二者之間結(jié)合不好，影響了整體性能。
　　通過(guò)向膜液中引入兩種硅烷偶聯(lián)劑，改造了ZSM-5分子篩顆粒表面性質(zhì)，促進(jìn)其

4、在PDMS中的分散并且加強(qiáng)其與PDMS結(jié)合。通過(guò)正辛基三乙氧基硅烷(OTES)與三甲基二硅氧烷(HMDSO)兩種改性劑的對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用OTES改性的復(fù)合膜分散更加均勻，即使在高倍放大下仍未發(fā)現(xiàn)空隙?？疾炝吮砻娓男院髲?fù)合膜在不同ZSM-5分子篩填充量以及不同壓力下，滲透系數(shù)以及分離因子的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，填充經(jīng)過(guò)表面改性的ZSM-5分子篩的復(fù)合膜與填充未改性分子篩的復(fù)合膜相比，前者的無(wú)機(jī)相與有機(jī)相之間的結(jié)合面結(jié)構(gòu)更好，復(fù)合膜氣體分離

5、性能得到很大提高;同時(shí)OTES改性的復(fù)合膜在分離性能上優(yōu)于HMDSO改性的。使用OTES改性的復(fù)合膜在填充量為20％時(shí)，COJCH4的分離因子達(dá)到5.36、O2/N2達(dá)到3.6。同時(shí)，較高的壓力有利于提高復(fù)合膜的氣體分離與滲透性能。
　　在填充ZSM-5分子篩的復(fù)合膜的研究中發(fā)現(xiàn)，使用5A級(jí)ZSM-5分子篩填充PDMS這類滲透性能良好的聚合物時(shí)，ZSM-5分子篩的加入會(huì)降低復(fù)合膜的滲透性能，不利于氣體的滲透。
　　將Cu3(

6、BTC)2填充到PDMS/PEI復(fù)合膜中并考察復(fù)合膜在不同Cu3(BTC)2填充量與壓力下的性能。結(jié)果表明:在填充量為20％時(shí)，復(fù)合膜對(duì)CO2/CH4的滲透性能與選擇性能均優(yōu)于ZSM-5分子篩填充的復(fù)合膜，分離因子可以達(dá)到5.56;同時(shí)較高的壓力有利于復(fù)合膜的氣體分離與滲透性能。
　　將填充量為20％的填充OTES改性ZSM-5分子篩的復(fù)合膜與填充量為20％的填充Cu3(BTC)2的復(fù)合膜分別用于CO2/CH4混合氣體體系實(shí)驗(yàn)，用

7、來(lái)模擬天然氣開采過(guò)程中的混合氣體。實(shí)驗(yàn)考察了原料氣壓力、原料氣中CO2濃度以及滲余相氣體流量對(duì)混合氣分離效果的影響。結(jié)果表明:進(jìn)料壓力對(duì)復(fù)合膜的滲透性能影響不大，對(duì)于填充Cu3(BTC)2的復(fù)合膜，高壓下分離因子略有上升，而對(duì)于填充ZSM-5分子篩的復(fù)合膜，高壓下分離因子略有下降;對(duì)于填充Cu3(BTC)2的復(fù)合膜，較低的CO2組成有利于氣體的分離;而對(duì)于填充ZSM-5分子篩的復(fù)合膜，較高的CO2組成有利于氣體的分離。較低的滲余相氣體流