氨基硅烷修饰氧化石墨烯膜的制备及CO2分离性能研究

摘要

全球工业化水平不断提高，CO2大量排放，其导致的温室效应对环境的影响逐渐加重，寻求高效的碳捕集技术成为科学研究领域的热点问题之一。膜法气体分离技术因其低能耗、操作简便等特点受到广泛关注，开发同时具备高渗透性、选择性及稳定性的分离膜材料是膜应用的核心。本研究以二维纳米氧化石墨烯(GO)为关键材料，制备基于改性GO的混合基质膜及硅烷插层GO复合膜。通过对膜界面、主体、通道的调控及气体传递机制强化，实现膜渗透性及选择性协同提升。研究结果如下: 膜界面调控与传递机制强化:混合基质膜非理想界面形态的存在导致气体分离性能及机械强度较弱。本研究使用氨基硅烷对GO进行功能化改性(f-GO)并将其引入嵌段聚醚酰胺(Pebax(@)1657)中制备混合基质膜，f-GO的引入降低了Pebax基质的结晶度，提高链段运动性。f-GO在膜内具良好分散性且表面Si-O-Si网络与Pebax链段形成半互穿网络结构，使Pebax/f-GO混合基质膜机械强度显著提升，Pebax/f-GO-0.7％膜杨氏模量提升至Pebax纯膜的2.7倍，断裂强度提升至Pebax纯膜的2.1倍。f-GO良好的界面相容性及表面存在的胺基使其在聚合物-填充剂界面处构建CO2促进传递通道，Pebax/f-GO混合基质膜在干态及湿态下的气体分离性能均显著提升。湿态下，Pebax/f-GO-0.9％膜CO2渗透系数可达934.3 Barrer，CO2/CH4分离系数为40.9，CO2/N2分离系数为71.1，超越2008年Robeson上限。 膜层间传递通道调控与传递机制强化:气体分离膜中高效稳定传递通道的构建是提升膜性能的关键因素之一。理想通道应具备良好的CO2亲和性及适宜的分离尺寸以实现CO2溶解-扩散机制协同强化。本文通过层层真空抽滤法将GO纳米片组装于聚醚砜(PES)微孔滤膜表面。在GO纳米片层间同时引入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTS)及硅酸四乙酯(TEOS)。有机硅烷的引入可起交联作用，有效调控膜传递通道，进而强化膜扩散特性;作为插层物质的APTS中含有胺基，可在膜内提供促进CO2传递亲和位点，进而强化膜溶解特性。复合膜渗透性及选择性均得到显著提升，GO-APTS-TEOS(4)/PES膜CO2渗透速率为74.2GPU，CO2/CH4分离系数为30.1，展示了良好的应用前景。

目录

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摘要

第一章文献综述

1．1研究背景

1．1．2 CO2分离的主要方法

1．2 CO2分离膜材料

1．2．1高分子膜材料

1．2．2无机膜材料

1．2．3高分子-无机杂化膜

1．3 CO2分离膜的传递机理

1．3．1气体在多孔膜中的传递机制

1．3．2气体在致密膜中的传递机制

1．4氧化石墨烯在气体分离膜中的研究及应用

1．5论文的选题与主要研究思路

第二章氨基硅烷功能化氧化石墨烯混合基质膜制备及CO2分离性能研究

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1实验原料及设备

2．2．2功能化氧化石墨烯和杂化膜的制备

2．2．3膜及纳米片表征方法

2．2．4膜的水含量及水状态测试

2．2．5气体渗透性能测试

2．3结果与讨论

2．3．1功能化氧化石墨烯的表征

2．3．2 Pebax／f-GO混合基质膜的表征

2．3．3膜的水含量及水状态测试

2．3．4膜的气体分离性能研究

2．4本章小结

第三章氨基硅烷插层氧化石墨烯膜的制备及CO2分离性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1实验原料及设备

3．2．2膜的制备

3．2．3膜的表征方法

3．2．4气体渗透性能测试

3．3结果与讨论

3．3．1膜材料的表征

3．3．2膜的气体分离性能研究

3．4本章小结

第四章结论与展望

4．1结论

4．2展望

参考文献

发表论文及参加科研情况

附录

致谢