气体分离

聚合物膜在气体分离过程中遇到的一个最关键的问题是气体渗透性和选择性之间的权衡效应。本工作的目的是开发一种简单而有效的涂层技术来改善常用聚砜( PSF )中空纤维膜的表面性能，以解决CO2 / CH4和O2 / N2分离的折衷效应。本研究通过在聚醚嵌段酰胺( Pebax )选择性涂层中加入氧化石墨烯( GO )纳米片制备多层涂复PSF中空纤维，为了防止Pebax涂层溶液渗入膜基片，在基片与Pebax层之间形成聚二甲基硅氧烷( PDMS )沟槽层。然后考察GO负载量( 0.0 ~ 1.0wt % )对Pebax层性能和膜性能的影响。XPS数据清楚地显示了膜选择性层中GO的存在，GO掺入量越高检测到的碳的sp2杂化状态越大。在膜层形貌方面，GO添加量的增加只影响膜表面粗糙度而不改变整个膜层厚度。结果表明，在Pebax膜层中添加0.8wt %的GO可以得到性能最好的多层膜，与未添加GO的膜相比，CO2 / CH4和O2 / N2气对选择性分别提高了56.1 %和20.9 %。这种改善是由于选择性层中曲折路径增加，相对于较小的气体分子( CO2和O2 )，对较大的气体分子( CH4和N2 )产生了更高的阻力。

基于膜技术的烟气中CO2分离在最近几十年受到了极大的关注。本工作采用干喷-湿法纺丝技术制备了聚醚酰亚胺( PEI )中空纤维。随后，在PEI中空纤维外表面浸渍涂复聚二甲基硅氧烷( PDMS )选择性层制备了复合中空纤维膜。对各种纺丝条件纺制的中空纤维进行了充分的表征。通过气体透过率和理想选择性评价了中空纤维基材对PDMS / PEI复合膜CO2 / N2分离性能的影响。所制备的中空纤维基材由20wt %的纺丝液、12 m L / min的孔液(水)流速纺制的复合膜具有最高的理想选择性，达到21.3，CO2透过率为59 GPU。研究发现，dope浓度、膛内流体流速和膛内流体组成等因素影响中空纤维的多孔结构、表面形貌和尺寸。井筒流体组成显著影响PDMS / PEI复合膜的气体透过性和理想选择性。制备的PDMS / PEI复合膜具有与文献报道相当的CO2 / N2分离性能。

基于膜技术的烟气中CO2分离在最近几十年受到了极大的关注。本工作采用干喷-湿法纺丝技术制备了聚醚酰亚胺( PEI )中空纤维。随后，在PEI中空纤维外表面浸渍涂复聚二甲基硅氧烷( PDMS )选择性层制备了复合中空纤维膜。对各种纺丝条件纺制的中空纤维进行了充分的表征。通过气体透过率和理想选择性评价了中空纤维基材对PDMS / PEI复合膜CO2 / N2分离性能的影响。所制备的中空纤维基材由20wt %的纺丝液、12 m L / min的孔液(水)流速纺制的复合膜具有最高的理想选择性，达到21.3，CO2透过率为59 GPU。研究发现，dope浓度、膛内流体流速和膛内流体组成等因素影响中空纤维的多孔结构、表面形貌和尺寸。井筒流体组成显著影响PDMS / PEI复合膜的气体透过性和理想选择性。制备的PDMS / PEI复合膜具有与文献报道相当的CO2 / N2分离性能。

杂化聚二甲基硅氧烷( PDMS )膜中绿色工艺对CO2分离的影响迄今为止很少受到关注。膜的有效分离CO2被认为是由反应和固化过程控制的。本研究采用水乳法在陶瓷基片上制备了杂化PDMS膜，并对其气体传输性能进行了评价。考察了正硅酸乙酯( TEOS )浓度和固化温度对形貌和CO2分离性能的影响。粘度测试表明，在特定的反应时间下，有利于在基底上制备具有均匀致密选择性层的对称杂化PDMS膜。而且，较高的TEOS浓度可以减少反应时间，获得完全交联的结构，允许更高效的CO2 / N2分离。在120℃高温固化制备的膜中，分离性能进一步提高，所制备的膜具有良好的CO2 / N2分离性能，CO2透过率为27.7±1.3 GPU，CO2 / N2选择性为10.3±0.3。此外，该膜具有高达5 bar的压力下稳定的气体分离性能。

杂化聚二甲基硅氧烷( PDMS )膜中绿色工艺对CO2分离的影响迄今为止很少受到关注。膜的有效分离CO2被认为是由反应和固化过程控制的。本研究采用水乳法在陶瓷基片上制备了杂化PDMS膜，并对其气体传输性能进行了评价。考察了正硅酸乙酯( TEOS )浓度和固化温度对形貌和CO2分离性能的影响。粘度测试表明，在特定的反应时间下，有利于在基底上制备具有均匀致密选择性层的对称杂化PDMS膜。而且，较高的TEOS浓度可以减少反应时间，获得完全交联的结构，允许更高效的CO2 / N2分离。在120℃高温固化制备的膜中，分离性能进一步提高，所制备的膜具有良好的CO2 / N2分离性能，CO2透过率为27.7±1.3 GPU，CO2 / N2选择性为10.3±0.3。此外，该膜具有高达5 bar的压力下稳定的气体分离性能。

界面相容性对用于分子分离的纳米复合膜的性能和鲁棒性至关重要。本工作采用共价交联法制备了界面相容性较好的聚二甲基硅氧烷/金属-有机-骨架( PDMS / MOFs )混合基体膜。将MOF锆颗粒( UiO-66-NH2 )与甲氧基硅烷基团进行接枝，进一步与硅烷封端的PDMS基体形成共价交联。增强的界面相容性阻止了溶剂蒸发过程中MOF颗粒在PDMS前驱体溶液中的沉降和聚集，因此复合材料在高MOFs负载量( 60   wt % )下表现出良好的成膜能力。混合膜的抗拉强度提高了2.8倍，同时保持了良好的柔韧性。此外，添加40   wt % UiO - 66 - MS颗粒的PDMS复合膜的CO2 / N2选择性和CO2渗透率分别提高了1.3倍和0.7倍。

独特的具有增强气体分离性能的CNT-ZIF-8 - PDMS复合膜的分子尺度制备方法主要集中在捕获CO2 ( CO2 / N2，CO2 / H2 )。也有烯烃/石蜡分离的报道。首次在自支撑化学修饰碳纳米管( CNT )平台上通过ZnO键成功地合成了ZIF-8沟道层，使ZIF-8晶体能够在CNT上生长并牢固地锚固。在CNT表面形成取向的ZIF-8阵列，作为有效的缓冲层，促进了分子气体通过膜的传输。相比之下，通常会降低气体渗透率的常规沟道层。为了减小CNT / ZIF-8地层表面/本体处的间隙孔隙，采用喷涂技术在CNT / ZIF-8上沉积了薄的聚二甲基硅氧烷( PDMS )层。通过SEM和三维光学轮廓仪观测，证实了所得到的无缺陷形貌。PDMS的沉积提高了复合材料的力学稳定性(应力-应变)，延伸率提高了12倍，热稳定性降低了46 %。此外，复合膜表现出优异的气体分离性能，其CO2和C3H6的渗透率分别为8705和4965Barrer，对CO2 / N2 (理想选择性α  =   45.6 )和CO2 / H2 ( α  =   23.9 )气体对的选择性均超过2008年Robeson上界。

最近，在聚合物基体中加入了各种类型的中空材料，以提高聚合物材料的气体渗透和分离性能。本研究通过4，4 - ( 9 -芴基) -二苯胺与1，2，4，5 -苯四羰基四氯化物在微乳液中的界面聚合，合成了具有微孔壳的中空聚酰亚胺( PI )纳米粒子。制备了自支撑聚二甲基硅氧烷( PDMS ) /中空聚酰亚胺( PI )纳米粒子混合基膜，研究了其气体渗透分离性能。纳米颗粒的中空和多孔结构被很好地保存在膜中，降低了传质阻力。在不牺牲渗透选择性的前提下，随着纳米粒子负载量的增加，渗透率先增大后减小。与O2和CO2渗透率分别为786和3484 Barrer的纯PMDS膜相比，在35  ℃和0.2   MPa条件下，3  wt %中空PI纳米粒子的混合基质膜O2渗透率可达1664 Barrer，O2 / N2选择性为2.3，CO2渗透率可达6639 Barrer，CO2 / N2选择性为9.1  。将多孔聚醚酰亚胺基片浸渍到含有3   wt %纳米粒子的PDMS溶液中，制备了混合基复合膜。合成的无缺陷混合基复合膜表现出优异的O2和CO2透过率，分别高达1677和6502 GPU。空气分离实验表明，复合膜可以产生富氧的渗透汽液，富集到ca。30  vol %。