聚二甲基硅氧烷膜的制备、改性及脱硫性能研究

摘要

中国车用汽油中的有机硫化物75％以上来自催化裂化汽油(FCC)调和组分。有机硫化物燃烧后会产生SOx等有害物质，严重污染环境。因此，对FCC汽油进行深度脱硫迫在眉睫。渗透汽化膜法脱硫是一种新型的脱硫方法，分离效率高、能耗低、环境友好，膜法脱硫的核心是膜材料。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种应用较广的渗透汽化膜材料，具有较好的脱硫性能。本文系统地研究了交联剂对PDMS膜脱硫性能的影响，在此基础上，通过填充CPO-27-Ni这种金属有机骨架（metal organic framework，MOF）材料，进一步提高了PDMS膜的脱硫性能。
　　本文首先制备了3种不同交联剂交联的PDMS/PVDF复合膜。3种交联剂分别为3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)、3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)和3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)。采用傅立叶红外光谱仪(FTIR-ATR)，X射线光电子衍射(XPS)，扫描电子显微镜(SEM)，静态拉伸试验，溶胀实验和表面剥离实验对所制备的PDMS/PVDF膜进行系统分析、表征。研究结果表明A-PDMS具有最高的交联密度，极佳的抗溶胀性和与底膜良好的结合力;同时，系统考察了不同操作温度和有机硫化物含量对PDMS/PVDF膜脱硫性能的影响。渗透汽化实验结果表明:一、在45℃，A-PDMS膜的富硫因子最高，达到3.46;二、M-PDMS膜的渗透通量最高，达到21.19kg/(m2·h)。
　　随后，将CPO-27-Ni颗粒填充到APTMS交联的PDMS基体中，制备出CPO-27-Ni填充的PDMS混合基质膜(mixed matrix membranes，MMMs)用于渗透汽化脱硫。采用SEM，X-ray粉末衍射(XRD)和N2吸脱附对CPO-27-Ni粒子进行结构表征;通过SEM，XRD，热重量分析(TGA)和溶胀实验对膜进行综合表征。随后，研究了不同CPO-27-Ni粒子填充量对PDMS膜渗透汽化脱硫性能的影响。实验发现，相比于PDMS膜，MOF/PDMS MMMs的渗透通量和富硫因子均显著增加。这主要是因为CPO-27-Ni粒子对噻吩的选择吸附性和其与PDMS膜基质的良好兼容性。当CPO-27-Ni粒子的填充量为6％时，富硫因子最高达到4.05，渗透通量为5.92kg/(m2·h)，与纯的PDMS膜相比，分别增加了23.7％和68.7％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 FCC汽油脱硫研究背景

1．2．1 车用汽油概况

1．2．2 FCC汽油有机硫化物分布

1．3 FCC汽油脱硫工艺简述

1．3．1 催化加氢脱硫工艺

1．3．2 吸附脱硫工艺

1．3．3 氧化脱硫工艺

1．3．4 烷基化脱硫工艺

1．3．5 生物脱硫工艺

1．4 渗透汽化简介

1．4．1 渗透汽化

1．4．2 渗透汽化分离原理

1．4．3 渗透汽化特点及应用

1．5 渗透汽化脱硫膜

1．5．1 膜材料选择

1．5．2 聚二甲基硅氧烷膜

1．5．3 聚乙二醇膜

1．5．4 聚磷腈膜

1．5．5 聚酰亚胺膜

1．5．6 纤维素膜

1．5．7 其他脱硫膜

1．6 课题的提出与研究内容

1．6．1 研究思路

1．6．2 研究内容

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂和仪器

2．2．2 膜的制备

2．2．3 膜的表征

2．2．4 模拟汽油配置

2．2．5 渗透汽化测评

2．2．6 串联阻力模型

2．3 膜的表征结果

2．3．1 膜表面组成分析

2．3．2 SEM表征

2．3．3 溶胀实验

2．3．4 机械性能

2．3．5 表面剥离实验

2．4 膜的脱硫性能

2．4．1 操作温度对膜的脱硫性能的影响

2．4．2 不同料液硫含量对膜的脱硫性能的影响

2．4．3 操作时间变化对膜的脱硫性能的影响

2．4．4 膜性能对比

2．5 小结

第三章 MOF／PDMS混合基质膜的制备及其脱硫性能

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂与仪器

3．2．2 膜的制备

3．2．4 膜的表征

3．2．5 模拟汽油配置

3．2．6 渗透汽化测评

3．2．7 分子模拟

3．3 粒子表征结果

3．4 膜表征结果

3．4．1 SEM

3．4．2 XRD

3．4．3 TGA

3．4．4 溶胀行为

3．5 膜脱硫结果

3．5．1 不同CPO-27-Ni粒子填充量对膜脱硫性能的影响

3．5．2 不同操作温度对膜脱硫性能的影响

3．5．3 不同料液硫含量对膜脱硫性能的影响

3．6 小结

4．1 主要结论和创新点

4．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢