響應(yīng)面法優(yōu)化分離CO2-N2的CS-PVDF復(fù)合膜的制備條件.pdf

1、CO2作為引起全球氣候變暖的主要溫室氣體和寶貴的碳資源，對其進(jìn)行捕集與分離成為目前重要的研究課題。與傳統(tǒng)的吸收和吸附等分離工藝相比，膜分離CO2具有能耗低、流程簡單、投資少、易操作及環(huán)境友好等優(yōu)勢。膜是膜分離技術(shù)的核心，傳統(tǒng)的有機(jī)氣體分離膜由于溶解-擴(kuò)散機(jī)理的限制，難以突破“Robeson上限”，無法制備兼具高CO2滲透速率以及高選擇性的膜。為了從根本上擺脫“Robeson上限”帶來的困擾，就需采用不依賴溶解-擴(kuò)散機(jī)理的促進(jìn)傳遞膜。固定

2、載體膜因兼具較高的滲透速率和選擇性以及載體穩(wěn)定等優(yōu)點，成為一種備受關(guān)注的促進(jìn)傳遞膜。膜的制備條件對膜的分離性能影響很大，但是傳統(tǒng)的膜制備條件優(yōu)化是采用單因素優(yōu)化，其沒有考慮參數(shù)之間的交互影響關(guān)系，且具有實驗次數(shù)多等缺點，因此本文以胺基為載體，選用具有氨基的殼聚糖(CS)為膜材料，制備CS/PVDF復(fù)合膜分離CO2/N2，以其分離CO2/N2性能為響應(yīng)值，利用響應(yīng)面法對復(fù)合膜的制備條件進(jìn)行優(yōu)化。
　　首先選擇殼聚糖(CS)分子量、C

3、S濃度、溶劑蒸發(fā)溫度、溶劑蒸發(fā)相對濕度以及共混添加劑三乙醇胺(TEA)濃度等5個關(guān)鍵參數(shù)作為考察因素，其中TEA濃度是TEA占CS和TEA總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（下同）。以膜的CO2滲透速率、CO2/N2選擇性以及綜合分離性能為響應(yīng)值，在優(yōu)化變量的可行域內(nèi)，應(yīng)用Design-Expert7.1.3軟件中的Box-Behnken design設(shè)計了46組不同的膜制備實驗條件。
　　其次，采用L-S相轉(zhuǎn)換法制備了聚偏氟乙烯(PVDF)超濾底

4、膜，并以0.5 wt.％的PVA水溶液對其進(jìn)行親水化改性;然后采用滾涂法在不同的制膜條件下制備了CS/PVDF復(fù)合膜，利用膜分離性能測試裝置對膜分離性能進(jìn)行測試。利用軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和響應(yīng)面分析，實驗結(jié)果具有較好的相關(guān)性，得到了膜的CO2滲透速率、CO2/N2選擇性以及綜合分離性能的二次項模型方程。
　　最后對膜的制備條件進(jìn)行優(yōu)化和實驗檢驗。綜合考慮膜的CO2滲透速率和CO2/N2選擇性這兩個響應(yīng)值與單獨考慮膜的綜合分離

5、性能都得到了相同的最優(yōu)制膜條件:CS分子量為30萬、CS濃度為1.4wt.％、溶劑蒸發(fā)溫度為30℃、溶劑蒸發(fā)相對濕度為20％、TEA濃度為15wt.％，此條件下CS/PVDF復(fù)合膜的CO2滲透速率、CO2/N2選擇性和綜合分離性能的預(yù)測值分別達(dá)到了75.5 GPU、54.3和59;并在此制膜條件下對模型的預(yù)測值通過實驗進(jìn)行檢驗，膜的CO2滲透速率、CO2/N2選擇性和綜合分離性能的預(yù)測值與實驗平均值的相對誤差分別為10.01％、5.46