基于聚醚砜接枝共聚物的气体分离膜的制备与性能研究

摘要

近年来，随着化石燃料的大量使用，大气中温室气体(如CO2)的浓度迅速上升，对地球的生态环境造成了严重的影响;另一方面，CO2是一种宝贵的碳资源。因此，对CO2进行分离和捕捉具有重要意义。作为一项新兴绿色分离技术，膜技术因其绿色环保、低能耗、高效率，得到广泛应用。因为已被证明在气体分离方面也经济上可行，其在CO2分离方面也得到越来越多的关注和研究。 聚醚砜是一种常用的气体分离膜材料，具有良好的稳定性和可加工性，但其对气体的渗透性能较差，限制了在气体分离领域的应用。聚乙二醇(PEG)中的醚氧基团是具有很高的CO2/light gases溶解选择性的官能团，常被用作分离CO2的膜材料。但高分子量的PEG具有强结晶性，气体通量低，低分子量的PEG机械性能差，无法制备成膜。以聚醚砜作为机械支撑，以低分子量PEG构筑气体传输通道，设计制备嵌段或接枝共聚物，研究机械性能与分离性能兼备的气体分离膜材料，具有重要的应用价值。 本文设计制备了一种PEG侧链含量可控、长短可调的聚醚砜接枝共聚物，防止PEG链段结晶，提高气体分离性能。在此基础上，对膜进行了两种处理:一是在接枝共聚物膜的玻璃化转变温度以上，对膜进行热退火处理，使共聚物链段充分运动，相分离更加彻底，形成微区;二是向膜内添加柱撑MFI沸石(PMFI)，制备混合基质膜，利用接枝共聚物自组装诱导PMFI排布，构建气体传输通道，加快气体在膜内运输，提高膜的渗透系数。 本文通过缩聚反应，以二烯丙基双酚硫、双酚硫、4，4-二氟二苯砜为反应单体，合成了两种双键侧基含量的聚醚砜(PES A(14％)、PES B(28％));通过巯基—烯点击化学，将不同分子量(550、1000、2000)的巯基短链聚乙二醇接枝到聚醚砜上，制备了聚醚砜接枝共聚物(PES-g-PEG)。用1H-NMR、FTIR表征聚合物化学结构，用DSC、TG对聚合物热分析。结果表明，聚醚砜接枝共聚物成功制备。 将PES-g-PEG配制成质量分数为5wt％的铸膜液，通过溶剂蒸发法制备气体分离膜，用气体渗透仪测试CO2、N2渗透性能。结果表明，PES A-g-PEG550膜有较高的CO2渗透系数，达到了13.0 Barrer，CO2/N2理想选择系数为24.2;热退火处理制备Anneal PES-g-PEG膜(A PES-g-PEG)，结果表明，退火后膜的CO2渗透系数提高1倍，达到26.8 Barrer，CO2/N2理想选择系数也提高至27.6;为了进一步提高渗透系数，向PES A-g-PEG550膜中添加PMFI沸石制备混合基质膜(P-MMM)结果表明，在沸石添加量为20wt％时，P-MMM的CO2渗透系数比原膜提高了4倍，达到66.9Barrer。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1．2 CO2的开发利用

1．1．3 CO2分离技术

1．2 CO2分离膜技术

1．2．1 CO2分离膜材料

1．2．2 CO2膜的分离机理

1．3 PEO共聚物用于CO2分离的研究

1．4接枝共聚物的合成方法

1．5聚醚砜

1．5．1聚醚砜简介

1．5．2聚醚砜改性

1．6混合基质膜

1．6．1混合基质膜概述

1．6．2常用无机纳米粒子

1．6．3 Pillared MFI沸石(PMFI)

1．6．4填料大小及填料量对混合基质膜气体分离性能影响

1．7课题意义及内容

1．7．1课题研究的意义

1．7．2课题研究内容

第二章聚醚砜接枝共聚物的制备

2．1实验部分

2．1．1实验原料及所用仪器

2．1．2含双键聚醚砜的合成

2．1．3巯基聚乙二醇的合成

2．1．4聚醚砜接枝PEG

2．2分析表征方法

2．2．1核磁表征(NMR)

2．2．2红外表征(FTIR)

2．2．6产率计算

2．3结果与讨论

2．3．1核磁表征

2．3．2红外表征

2．3．3热重表征(TG)

2．3．4差示扫描量热表征(DSC)

2．3．5 GPC表征

2．3．6产率计算

2．4本章小结

第三章聚醚砜接枝共聚物膜的制备及其性能研究

3．1实验部分

3．1．1实验仪器及材料

3．1．2 PES A-g-PEG／PES B-g-PEG气体分离膜的制备

3．1．3退火膜的制备

3．2分析表征方法

3．2．1差示扫描量热表征(DSC)

3．2．2 X射线衍射表征(XRD)

3．2．3气体渗透性能测试

3．3结果与讨论

3．3．1差式扫描量热表征

3．3．2膜的X射线衍射(XRD)表征

3．3．3膜的气体渗透性能

3．4本章小结

第四章聚醚砜接枝共聚物-沸石混合基质膜的制备及性能研究

4．1实验部分

4．1．1实验仪器及材料

4．1．2 PES A-g-PEG550／PMFI混合基质膜的制备

4．2分析表征方法

4．2．1 X射线衍射表征(XRD)

4．2．2场发射扫描电子显微镜表征(FE-SEM)

4．3．1混合基质膜和沸石的X射线衍射(XRD)表征

4．3．2场发射扫描电子显微镜表征

4．3．3特征X射线能谱仪(EDX)表征

4．3．4比表面积，孔径分布及吸附选择性表征

4．3．5混合基质膜的气体渗透性能

4．4本章小结

第五章结论与展望

5．1结论

5．2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及承担完成科研情况

致谢