【摘要】：氣體分離膜技術具有低能耗、效率高、操作簡單、易規(guī)�；铜h(huán)境友好等的獨特優(yōu)勢,在工業(yè)氣體分離領域具有非常大的應用潛力。然而傳統(tǒng)氣體分離膜材料的氣體滲透性能較低,不能滿足日益增長的工業(yè)生產(chǎn)需求。開發(fā)高滲透率、高選擇性的膜材料一直是現(xiàn)在化工分離領域的研究熱點之一。自具微孔聚合物(PIMs)是近年來發(fā)展的一類具有高滲透率及中等選擇性的聚合物材料,其對氣體的高滲透率來源于剛性扭曲分子鏈的非有效折疊而產(chǎn)生的固有微孔結構。但其滲透率仍不能滿足實際工業(yè)生產(chǎn)的要求,設計開發(fā)高性能的PIMs膜對膜分離技術的發(fā)展具有重大深遠的意義。本篇論文以設計和構建高性能氣體分離膜為研究內(nèi)容,具體分為以下三個方面:(1)自具微孔聚合物材料PIM-1的合成。調(diào)研大量國內(nèi)外有關PIM-1研究的文獻,分別通過高低溫方法制備出了良好的物理化學性質(zhì)、高比表面積和可控的微孔結構的PIM-1聚合物材料,研究了其分子結構信息和熱穩(wěn)定性質(zhì),并討論了高低溫方法的優(yōu)缺點,為后續(xù)的工作打下良好的基礎。(2)基于后修飾的PIM-1的氣體分離膜的聚合物通常具有高氣體選擇性但是具有相對低的氣體滲透率。Freeman理論對設計PIMs提出了指導,理論指出適當增加聚合物分子鏈間距和分子結構的剛性,可以改善聚合物的氣體分離性能。在這項工作中,金剛烷基團通過取代反應被接枝到偕胺肟官能化的PIM-1(AOPIM-1)主鏈上。金剛烷基團作為AOPIM-1骨架的側基來調(diào)節(jié)AOPIM-1的鏈排布方式,從而影響膜的氣體滲透性。該工作的結果表明,通過調(diào)節(jié)聚合物上接枝的金剛烷基團的摩爾分數(shù),可以精細調(diào)節(jié)金剛烷接枝的AOPIM-1膜的鏈間距(d-spacing)。金剛烷基團接枝的AOPIM-1膜(9%)的CO_2滲透率高達~2500 barrer,比原AOPIM-1聚合物膜的CO_2滲透率增加了150%以上,且其CO_2/N_2和CO_2/CH_4氣體對理想選擇性分別為31.2和30.1,表現(xiàn)了優(yōu)異的CO_2綜合分離性能,遠超過了CO_2/N_2和CO_2/CH_4氣體對的2008年Robeson上限。在迄今為止報道的含有金剛烷基團的聚合物氣體分離膜中,該工作中制備的金剛烷接枝的AOPIM-1聚合物膜表現(xiàn)出了最佳分離性能。該工作在天然氣升級和碳捕獲與封存等方面表現(xiàn)出了極大的應用潛力,也為基于PIMs的氣體分離材料的后修飾提供了新穎的設計方案。(3)與純聚合物膜相比,混合基質(zhì)膜表現(xiàn)出了較高的丙烯/丙烷選擇性,但基于膜分離技術的工業(yè)規(guī)模丙烯純化項目仍受其低滲透率的限制。在這項工作中,通過將六氟硅酸鋅(SIFSIX-3-Zn)納米顆粒摻入自具微孔聚合物(PIM-1)基質(zhì)中,開發(fā)了一種新的基于氟化金屬有機骨架(MOF)的混合基質(zhì)膜。具有高表面積和合適孔徑的SIFSIX-3-Zn納米顆�？梢援a(chǎn)生新的輸送通道以促進丙烯的傳遞。與純聚合物膜相比,含有10wt%SIFSIX-3-Zn納米粒子的混合基質(zhì)膜的C_3H_6滲透率從1701.9 Barrer提高到4012.1 Barrer,同時C_3H_6/C_3H_8理想選擇性從3.6增加到7.9,表現(xiàn)出最佳的分離性能,其分離數(shù)據(jù)位于Trade-off關系圖的高滲透率區(qū)域并遠高于Trade-off關系上限。這種新型氟化MOF基混合基質(zhì)膜可能具有很大的工業(yè)C_3H_6/C_3H_8分離潛力。
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ051.893
【圖文】：

體分離膜材料種類材料是氣體分離膜的核心,其性能直接決定了分離過程效率的高低、分離速度等[11, 12]。氣體分離膜材料根據(jù)其組成成分不同主要為分離膜材料、有機聚合物類分離膜材料和混合基質(zhì)類分離膜材料。 無機類分離膜材料機類分離膜可根據(jù)其表層形態(tài)結構可分為致密膜和多孔膜。致密屬及其合金膜和致密的固體電解質(zhì)膜等；多孔膜主要包含陶瓷多孔膜、分子篩膜及玻璃多孔膜等[13]。無機類分離膜的主要類型如圖

TB-Bisa-PC * * 23 35 * 1.4 7.8Selected Aramid * 245 * * * * *圖1.2 常見的商業(yè)聚合物膜材料的 a) H2/N2Robeson上限圖和 b) O2/N2Robeson上限圖。Figure 1.2 a) H2/N2Robeson upper bound plot and b) O2/N2Robeson upper bound plot ofcommon commercial polymer membrane.(1) 纖維素類纖維素是世界上最豐富的天然聚合物材料，具有價格低廉、可再生、物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、生物兼容性好等優(yōu)點，但也具有結晶度高、成型難度大、易被氧化及易受微生物侵蝕等缺點。在工業(yè)應用過程中，纖維素材料大多需要化學改性，來獲得性能更優(yōu)的纖維素衍生物材料，常見的改性的纖維素材料如：硝酸纖維素、醋酸纖維素、再生纖維素等，其中醋酸纖維素是商業(yè)應用最廣泛的

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本文編號：2735313