Cu3(BTC)2对提高PDMS/PEI复合膜气体分离性能的基础研究

摘要

气体膜分离技术具有工艺简单、投资费用低、占地面积小等优点，在气体分离脱颖而出。金属-有机骨架化合物(MOFs)作为一种新型材料，具有很大的比表面积及孔隙率，在气体储存及分离方面表现出优于传统材料的性能。在众多MOFs中，Cu3(BTC)2对CO2具有较高的吸附亲和力，有很大的研究价值。本文将Cu3(BTC)2与聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)共混制备改性PDMS/聚醚酰亚胺(PEI)复合膜，以气体的扩散系数、溶解度系数、渗透系数及分离系数为评价参数，研究Cu3(BTC)2对PDMS/PEI复合膜气体分离性能的影响及其原因。
　　 本文制备了PDMS/PEI非对称平板复合膜，考察了温度、压力与复合膜分离性能的变化关系。结果表明:在一定进料压力下，温度升高可增大CO2、CH4、O2和N2的扩散系数，O2和N2的溶解度系数，以及CH4、O2和N2的渗透系数，而降低O2/N2、CO2/N2和CO2/CH4的分离系数;在一定温度条件下，进料气压力增大，膜的压缩效应强于溶胀效应，使四种气体的扩散系数减小，溶解度系数和渗透系数增大，而分离系数基本不变。
　　 将金属有机骨架化合物Cu3(BTC)2填充到PDMS中制备改性PDMS/PEI复合膜，并考察了操作温度、压力和Cu3(BTC)2填充量对改性复合膜分离性能的影响。结果表明:Cu3(BTC)2添加至PDMS/PEI复合膜，可降低膜的压缩效应，增大气体分子扩散通过的自由体积，同时降低气体的扩散活化能及渗透活化能，有利于气体在膜中的扩散渗透;在一定进料压力下，随着温度的升高，气体的扩散系数增大，溶解度系数、渗透系数及分离系数均减小;一定温度下，随着进料气压力的升高，气体的扩散系数、渗透系数均增大，而分离系数基本不变;气体在改性复合膜中的扩散系数、渗透系数和分离系数均大于未改性复合膜的;当Cu3(BTC)2填充量为25％时，膜的分离性能最佳，与未改性复合膜相比，CO2、CH4、O2和N2的扩散系数增幅分别为120％、117％、109％和112％，渗透系数增幅依次为33％、17％、27％、26％，CO2/CH4、 O2/N2和CO2/N2的分离系数也有所提高，其增幅依次为13％、0.6％、5.4％。
　　 对Cu3(BTC)2填充量为25％的改性PDMS/PEI复合膜分离CO2/CH4过程进行了理论计算，结果表明:在一定温度、进料压力及混合气组成下，随着进料流量的增加，CO2的渗透系数增大，而CO2/CH4的分离系数和CO2的回收率下降;在一定温度、进料压力及流量下，随着CO2/CH4混合气中CO2浓度的上升，CO2/CH4的分离系数、CO2的回收率和渗透系数均增大;Cu3(BTC)2改性PDMS/PEI复合膜适用于低流量、CO2高浓度的CO2/CH4混合气的分离回收。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 气体膜分离技术概况

1．1．1 气体膜分离过程

1．1．2 气体分离膜材料

1．1．3 气体分离膜改性方法

1．1．4 气体分离膜的制造工艺

1．2 金属-有机骨架材料在气体膜分离中的应用

1．2．1 金属-有机骨架材料简介

1．2．2 Cu3(BTC)2简介

1．2．3 金属-有机骨架材料与聚合物混合膜

1．3 二氧化碳分离方法

1．3．1 分离方法

1．3．2 膜分离法

1．4 选题依据和主要研究内容

第二章 PDMS／PEI复合膜气体分离性能的研究

2．1 分离原理及性能评价参数

2．1．1 基本原理

2．1．2 膜分离性能评价参数

2．2 实验原料和仪器

2．2．1 主要原料和试剂

2．2．2 实验仪器

2．3 实验方法及装置

2．3．1 复合膜的制备

2．3．2 实验装置

2．3．3 实验装置准确性验证

2．4 PDMS／PEI复合膜的表征

2．5 结果与讨论

2．5．1 温度对PDMS／PEI复合膜气体分离性能的影响

2．5．2 压力对PDMS／PEI复合膜气体分离性能的影响

2．6 本章小结

第三章 Cu3(BTC)2改性PDMS／PEI复合膜气体分离性能的研究

3．1 分离原理及其性能评价参数

3．2 实验原料和仪器

3．2．1 主要原料和试剂

3．2．2 Cu3(BTC)2的表征

3．2．3 实验仪器

3．3 实验方法及装置

3．3．1．Cu3(BTC)2改性PDMS／PEI复合膜的制备

3．3．2 实验装置

3．4 Cu3(BTC)2改性PDMS／PEI复合膜的表征

3．5 结果与讨论

3．5．1 温度对改性复合膜气体分离性能的影响

3．5．2 压力对改性复合膜气体分离性能的影响

3．5．3 Cu3(BTC)2填充量对改性复合膜气体分离性能的影响

3．6 本章小结

第四章 Cu3(BTC)2改性PDMS／PEI复合膜分离CO2／CH4过程的理论计算

4．1 数学模型

4．1．1 流型选择

4．1．2 公式推导

4．1．3 性能评价参数

4．2 计算结果

4．2．1 进料组成的影响

4．2．2 进料流量的影响

4．3 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的论文

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