聚酰亚胺中空纤维膜的制备及其气体分离特性

摘要

温室效应及能源问题已经引起全球广泛关注，烟道气中二氧化碳( CO2)的控制排放、天然气及生物沼气中CO2的分离等都是亟待解决的混合气体分离问题。中空纤维分离膜具有能耗低、环境友好、填充密度高等突出优点，对于能源利用和环境治理都有举足轻重的作用，已成为最有效的混合气体分离方法之一。膜材料是膜技术的核心，聚酰亚胺（polyimide,PI）具有优良的机械性能、热性能和渗透性能，在众多膜材料中脱颖而出，有望在气体分离膜领域得到广泛应用。为此，本论文在具有分离特性聚酰亚胺的合成、中空纤维膜的纺丝成形及表面涂层等方面开展研究工作，主要内容包括：
　　通过分子结构设计引入较大自由体积和促进CO2传质的官能团，分别改善PI的渗透性和选择性。本文以六氟二酐（6FDA）为二酐单体，4,4'-二氨基二苯醚（ODA）、2,2-双[4-（4-氨基苯氧基）苯基]丙烷( BAPP)、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷（HFBAPP）、4,4'-双(4-氨基苯氧基)二苯砜（BAPS）为二胺单体在溶剂 N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中合成不同结构的聚酰亚胺，制备的聚酰亚胺薄膜在常规有机溶剂中具有极好的溶解性能，具有较好的力学强度，密度在1.388~1.427 g/cm3之间，自由体积分率在0.144~0.162之间，玻璃化转变温度在257 oC~304 oC之间，接触角在53°~93°之间。其中6FDA-HFBAPP型聚酰亚胺溶解性能最好、自由体积分率最大为0.162、接触角最大为93°、玻璃化转变温度最低为257 oC，是制备中空纤维气体分离膜的理想材料。
　　以合成的6FDA-HFBAPP型聚酰胺酸溶液为纺丝液，采用干-湿法及后处理工艺制备了具有致密皮层和多孔支撑层的中空纤维膜，研究了纺丝液的性质、内外凝固浴组成、内凝固浴流速、空气层高度对中空纤维膜结构和性能的影响。结果表明，该体系适合采用两步法纺丝，当外凝固浴为纯水、内凝固组成为VH2O?VNMP=10/90、内凝固流速与纺丝液流速之比在0.4~0.6之间、空气层高度为6 cm时，制备的中空纤维膜的性能最佳，CO2渗透速率为89 GPU，CH4的渗透速率为75 GPU。
　　为改善所制备的中空纤维膜的分离特性，以制备的聚酰亚胺中空膜为底膜，用 PDMS涂层液对底膜进行浸渍涂覆以封堵在干湿法成型过程中致密层产生的缺陷，制备了中空纤维复合膜。结果表明，当涂层质量浓度为5％时，涂覆的效果最佳，经涂覆后CO2的渗透速率为42 GPU, CH4的渗透速率为7.8 GPU，分离系数为5.4。并采用Henis复合阻力模型分析了复合膜的分离机理。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 膜分离技术

1.2 气体分离膜

1.3 聚酰亚胺中空纤维膜

1.4 论文的研究意义和研究内容

第二章 6FDA型聚酰亚胺的合成

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 测试及表征

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第三章 聚酰亚胺中空纤维的制备及表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 测试及表征

3.4 本章小结

第四章 中空纤维复合膜的制备及表征

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 测试及表征

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要结论

5.2 研究展望

参考文献

附录一： 攻读硕士期间已发表或录用的论文

致谢