聚砜/微凝胶复合膜对CO2气体的分离性能研究

摘要

随着全球经济的发展和人口的激增，人类活动所排放的大量二氧化碳已引起全球气候变暖，研究如何有效的捕集和回收二氧化碳对降低温室气体的排放具有重要意义。与传统的吸收、吸附工艺相比，膜分离具有能耗低、设备简单、投资少、易放大和环境友好等优点，因此被广泛应用于CO2分离领域。本研究以非对称结构聚砜平板膜为支撑基底，构建一种提高CO2选择分离性能的微凝胶颗粒功能层，获得用于CO2气体分离的复合膜。溶胀后的微凝胶所含的水对CO2渗透的促进作用，以及凝胶分子中叔胺与CO2的可逆反应相互协同，结合聚砜膜对CO2气体的本征分离性能，使CO2气体渗透速率和选择性显著提高。
　　本文以带有叔胺基团的N-（3-二甲氨基丙基）甲基丙烯酰胺为功能单体，采用乳液聚合法制备具有叔胺基质子化能力的P(NIPAM-co-DMAPMA)微凝胶分散液。通过扫描电子显微镜SEM、透射电子显微镜TEM对微凝胶进行形貌表征。通过吸附与释放实验研究了含胺微凝胶对CO2的吸附释放行为。结果表明，含胺微凝胶中叔胺基团对CO2的可逆反应能够促进CO2的吸附渗透，利用凝胶的温敏性可以调控CO2的可逆吸附与释放。
　　采用溶剂相转化法制备了具有气体分离性能的非对称结构聚砜平板支撑膜，通过表面涂敷工艺制备含叔胺微凝胶功能层的MGs/PSF气体分离复合膜。通过红外光谱、X-射线光电子能谱和扫描电镜分析获得了支撑膜及复合膜材料的理化性能，复合层的微观结构特征。研究发现，微凝胶表面涂覆层的厚度及胺基含量对复合膜分离CO2性能有重要的影响。通过调控微凝胶涂敷液浓度，筛选最佳叔胺含量的复合膜，在最佳操作条件下，MGs/PSF复合膜将CO2渗透速率从PSF支撑膜的7.41 GPU提高至19.16 GPU，选择分离系数α从10.85提高至25.13。研究表明，在室温～50℃范围，含叔胺微凝胶的复合膜对CO2能力可保持较高水平，相比于支撑膜，其有效使用温度范围有了显著的提高。此外，由于胺基微凝胶的水溶胀性能、胺基质子化能力和结构稳定等特性，复合膜具有较好的长期使用稳定性。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 研究背景

1．1．1 CO2分离与捕集必要性

1．1．2 CO2分离与捕集技术概述

1．2 CO2吸附剂

1．2．1 改性微介孔类吸附材料

1．2．2 改性纤维类吸附材料

1．3 CO2有机分离膜及气体传递机理

1．3．1 CO2无机分离膜

1．3．2 聚合物均质分离膜

1．3．3 气体在均质膜中的溶解扩散机制

1．3．4 表面接枝／交联改性高分子复合膜

1．3．5 混合基质膜

1．3．6 基于促进传递作用的CO2分离机理

1．4 智能型微凝胶材料

1．4．1 智能微凝胶的响应性能及应用

1．4．2 异丙基丙烯酰胺NIPAM基微凝胶的结构特点与制备途径

1．4．3 CO2响应刺激凝胶

1．5 论文的选题依据及主要内容

1．5．1 论文选题依据及研究目的

1．5．2 课题研究的主要内容

第二章 Poly(NIPAM-co-DMAPMA)微凝胶制备、表征及其对CO2吸附释放性能

2．1 实验试剂与仪器

2．1．1 实验试剂和材料

2．1．2 试剂提纯过程

2．1．3 实验仪器和设备

2．2 Poly(NIPAM-co-DMAPMA)共聚物微凝胶的合成与纯化

2．3 Poly(NIPAM-co-DMAPMA)理化结构表征

2．3．1 扫描电镜和透射电镜分析

2．3．2 动态激光光散射DLS和紫外可见吸光度分析

2．3．3 Zeta电势测试

2．4 Poly(NIPAM-co-DMAPMA)微凝胶对CO2捕集性能研究

2．5 结果与讨论

2．5．1 微凝胶形貌分析

2．5．2 Poly(NIPAM-co-DMAPMA)微凝胶的温敏性能

2．5．3 Poly(NIPAM-co-DMAPMA)微凝胶自身可逆相转化过程

2．5．4 微凝胶颗粒溶液滴定曲线

2．5．5 饱和CO2气体下微凝胶粒径变化

2．5．6 微凝胶溶液饱和CO2下pH与温度的关系

2．5．7 微凝胶乳液对CO2气体的吸收释放过程

2．6 本章小结

第三章 支撑膜的制备及对CO2分离性能

3．1 实验试剂与仪器

3．1．1 实验试剂

3．1．2 实验仪器

3．2 支撑膜制备过程

3．3 支撑膜形貌及性能表征

3．3．1 扫描电镜

3．3．2 渗透选择性能测试装置

3．3．3 测试条件及渗透选择性能计算方法

3．4 支撑膜的制备工艺探究

3．4．1 凝固浴类型对成膜性能影响

3．4．2 铸膜液添加剂对支撑膜性能的影响

3．4．3 聚砜含量对支撑膜性能的影响

3．5 支撑膜制备方法对其分离气体性能的影响

3．5．1 凝固浴类型对成膜性能影响

3．5．2 铸膜液添加剂对支撑膜性篚的影响

3．5．3 聚砜含量对支撑膜性能的影响

3．6 本章小结

第四章 聚砜／微凝胶(PSF／MGs)复合膜制备及性能研究

4．1 PSF／MGs复合膜制备

4．1．1 微凝胶涂敷液配制

4．1．2 微凝胶复合膜制备

4．2 PSF／MGs复合膜物理化学结构特征

4．2．1 衰减全反射傅里叶红外光谱ATR-FTIR

4．2．2 X射线光电子能谱XPS

4．2．3 复合膜形貌表征

4．3 PSF／MGs复合膜性能测试方法

4．3．1 PSF／MGs复合膜性能测试装置

4．3．2 测试条件及渗透选择性能计算方法

4．4 复合膜对CO2分离性能研究

4．4．1 聚砜／微凝胶复合膜MGs／PSF对CO2的分离性能

4．4．2 微凝胶涂膜液浓度对复合膜分离性能的影响

4．4．3 不同涂覆浓度制得的微凝胶复合膜的表面与断面结构

4．4．4 P(NIPAM-co-DMAPMA)微凝胶叔胺含量对复合膜CO2分离性能影响

4．4．5 操作温度对微凝胶颗粒复合膜分离CO2性能的影响

4．4．6 复合膜使用稳定性能研究

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢