功能炭膜的設計、制備及其氣體分離性能.pdf

1、本論文以制備具有高滲透通量、高分離選擇性的新型氣體分離功能炭膜為研究目標，在炭膜前驅體的結構設計、制備方法以及炭膜的氣體分離機理，功能基團的作用機制等方面進行了有益研究探索。取得了如下的創(chuàng)新研究成果： 以無機納米氧化物粒子(SiO2，TiO2)為功能基團，采用“溶膠-凝膠”技術制備了納米氧化物/炭功能膜(第三章)。利用無機粒子間的孔道以及無機粒子與炭母體間產生的微相分離所形成的超微孔，增加氣體分子在炭膜中滲透、擴散通道，提高炭膜

2、對氣體的滲透能力。結果表明：納米氧化物粒子及其無機網絡結構增強了膜的氣體滲透性能，所制備的TiO2雜化炭膜對單組分O2，滲透系數為520.30Barrer,O2/N2分離系數達到8.4。該類材料的成功制備為發(fā)展新一代的功能炭膜材料提供了新思路。 盡管無機納米氧化物的引入明顯地提高了炭膜的氣體滲透能力，但并沒有很好的改善氣體的滲透性與分離選擇性的矛盾關系，其原因是無機納米氧化物不屬多孔材料，納米粒子本身無法提供氣體的滲透通道。為此

3、，在第四章中，我們以具有規(guī)則、有序孔道結構的納米沸石分子篩(4A、ZSM-5、T)為功能基團，成功地設計制備出系列沸石分子篩/炭雜化功能炭膜。利用其發(fā)達有序的微孔通道及納米粒子與炭母體間所形成的界面間隙(超微孔結構)，實現(xiàn)氣體在炭膜中的快速滲透，提高炭膜的氣體滲透性。結果證明：沸石分子篩的引入，在保持較高的氣體分離選擇性的條件下，大幅度提高了炭膜的氣體滲透性；并發(fā)現(xiàn)沸石分子篩的種類、含量、粒度以及炭化工藝條件對功能炭膜的氣體分離性能有決

4、定性影響。經工藝條件的優(yōu)化設計，以納米級ZSM-5為功能基團制備的ZSM-5雜化炭膜，對O2的滲透系數達到671.23Barrer，O2/N2分離系數達11.4。并實現(xiàn)了在溫和可控的條件下，通過控制ZSM-5的含量、粒度及炭化工藝條件來調控炭膜的極微孔尺度和分布，制備高滲透通量、高分離選擇性的功能炭膜。 為了提高炭膜對特定氣體分子的“分子識別”能力及滲透選擇性能，實現(xiàn)其對氣體混合物的有效分離，本論文試圖在炭膜中引入了一些具有特殊

5、作用的功能基團，以增強特定氣體分子在炭膜中的滲透、擴散能力。如為了提高CO2分子在炭膜中的滲透、擴散能力，選用對CO2分子具有較強的吸附、擴散能力的T型分子篩為功能基團，成功地制備了T/C功能炭膜。結果表明：分子篩的晶體粒度和形態(tài)對所制備的T/C功能膜的氣體分離性能有很大的影響，采用小晶體粒度的T型沸石分子篩制備的T/C功能膜對CO2/CH4混合氣中CO2的滲透系數達到1532Barrer，CO2/CH4分離系數達到179，功能炭膜的氣

6、體分離系數可以通過調整分子篩的晶體粒度和形態(tài)來控制。 為了進一步的提高氣體在功能炭膜中的滲透、擴散速率，我們對引入的功能基團進行了“擴孔”，設計并制備以有序介孔材料為功能基團的SBA-15/C和MCM-48/C功能炭膜，在炭膜母體中形成“介孔-微孔”復合孔結構體系。利用氣體分子在介孔材料孔道中的快速傳輸作用，增加氣體在炭膜中的滲透性能(第五章)。研究表明：有序介孔材料提供的寬闊、暢通的孔道體系，可以實現(xiàn)對小氣體分子的快速擴散。并

7、發(fā)現(xiàn)引入具有三維孔道體系的MCM-48功能炭膜對氣體分子的輸送能力要明顯高于引入二維孔道體系的SBA-15功能炭膜，MCM-48/C功能膜對H2，CO2，O2的平均滲透系數分別可達到3838.22，2508.01，527.12Barrer，CO2/CH4，CO2/N2，O2/N2的理想分離系數分別達到：100.3，39.2，8.2。氣體分子在炭膜中的分離機理是基于努森擴散輔助的“分子篩分”機理。這為進一步探索該類具有獨特“介孔-微孔”復

8、合孔道體系的功能膜材料的研究奠定了基礎。 碳納米管與有序介孔炭材料是近年來出現(xiàn)的新型納米炭材料，它們的特殊結構特征顯示它們對氣體分子具有很高的傳輸能力。在第六章，我們將碳納米管和有序介孔炭CMK-3材料引入炭膜前軀體，制備了碳納米管/炭和有序介孔炭/炭功能炭膜。研究發(fā)現(xiàn)：碳納米管/炭功能炭膜的氣體滲透性有明顯提高，但其分離系數有所降低。有序介孔炭CMK-3的摻雜量以及恒溫時間對所制備的CMK-3/C功能膜氣體滲透性能有重要影響。