Cu3(BTC)2对聚二甲基硅氧烷/聚醚酰亚胺复合膜气体分离的改性研究

摘要

目前，在众多用于气体分离的聚合物膜材料中，鲜有渗透及分离综合性能俱佳的膜材料，故研制此类膜材料具有重要的意义。鉴于金属有机骨架化合物(MOFs)Cu3(BTC)2具有很大的比表面积和可以控制的孔隙率，并且对CO2具有较强的吸附能力，本文将此材料对聚二甲基硅氧烷/聚醚酰亚胺(PDMS/PEI)复合膜进行共混改性研究，旨在提高复合膜的综合性能。
　　 本文制备了PDMS/PEI非对称性平板复合膜，并考察了不同制膜条件对复合膜性能的影响。实验结果表明:随着基膜中聚合物PEI浓度的增大，膜分离性能不断提高，但膜渗透性能却有所降低;分离层为硅橡胶A的复合膜分离性能较高;涂敷液PDMS浓度的增加或涂敷转速的提高，均会使得复合膜渗透性能变差，但分离性能有所提高。
　　 对PDMS/PEI平板复合膜进行改性研究，通过分别在基膜PEI和分离层PDMS中填充金属有机化合物Cu3(BTC)2来改善PDMS/PEI复合膜的性能。在基膜中填充Cu3(BTC)2来改性PDMS/PEI复合膜，并考察Cu3(BTC)2填充量、涂敷液PDMS浓度以及温度对改性膜性能的影响。结果表明:基膜中Cu3(BTC)2填充量为3％的改性复合膜性能最佳，与未改性膜的O2/N2、CO2/N2和CO2/CH4分离系数2.02、11.16及3.51相比，改性膜的分离系数提高到了3.24、13.97和6.59;在改性基膜上，涂敷20％的PDMS分离效果最好;高温有利于改性膜渗透性能的提高，也有利于CO2/CH4分离系数的提高，但低温对CO2/N2和O2/N2分离系数的提高是有益的。
　　 在分离层中填充Cu3(BTC)2来改性PDMS/PEI复合膜，考察Cu3(BTC)2填充量、原料气压力以及温度对改性膜性能的影响。结果表明:分离层中Cu3(BTC)2填充量为25％时，所制备的改性复合膜性能最佳，其CO2、O2、N2和CH4渗透率分别是未改性膜的2.28、1.92、2.48和1.51倍，O2/N2、CO2/N2和CO2/CH4的分离系数分别为2.84、17.98和10.05，也高于未改性膜的分离系数2.40、13.93和6.13;原料气压力的升高，有助于提高改性PDMS/PEI复合膜的渗透性能和分离性能;高温较有利于膜的渗透性能，而低温有利于提高膜的分离系数。
　　 将分离层中填充25％Cu3(BTC)2的改性PDMS/PEI复合膜用于模拟天然气的混合气体体系CO2/CH4分离过程中，考察温度、原料气压力、渗余相气体流量以及原料气中CO2浓度等不同操作条件对分离过程的影响。实验结果表明:提高原料气压力，降低操作温度、原料气CO2浓度以及渗余相气体流量，均有利于CO2/CH4的分离。

目录

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学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 气体膜分离技术研究概况

1．1．1 气体分离膜的发展

1．1．2 气体分离膜的应用

1．1．3 气体分离膜的分离原理

1．1．4 气体分离膜材料

1．1．5 复合膜的制备

1．2 气体分离膜改性方法及其研究概况

1．2．1 等离子体改性

1．2．2 热处理改性

1．2．3 表面化学改性

1．2．4 辐射接枝改性

1．2．5 共混改性

1．3 气体分离膜捕集CO2的研究进展及应用

1．4 选题依据和研究内容

第二章 PDMS/PEI复合膜的制备及气体性能评价

2．1 气体膜分离原理及性能评价

2．1．1 气体膜分离原理

2．1．2 性能评价参数

2．2 实验试剂及仪器

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 PDMS/PEI复合膜的制备

2．3．2 气体渗透性能测定

2．4 PDMS/PEI复合膜的表征

2．5 结果与讨论

2．5．1 基膜聚合物浓度对膜性能的影响

2．5．2 硅橡胶种类对膜性能的影响

2．5．3 涂敷液硅橡胶浓度对膜性能的影响

2．5．4 涂敷转速对膜性能的影响

2．6 本章小结

第三章 Cu3(BTC)2对PDMS/PEI复合膜的基膜PEI改性研究

3．1 气体膜分离原理及性能评价

3．2 实验试剂及仪器

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．3 实验装置

3．4 实验方法

3．4．1 改性复合膜的制备

3．4．2 改性复合膜性能测定

3．5 结果与讨论

3．5．1 Cu3(BTC)2含量对改性膜性能的影响

3．5．2 涂敷液PDMS浓度对改性膜性能的影响

3．5．3 温度对改性膜性能的影响

3．6 本章小结

第四章 Cu3(BTC)2对PDMS/PEI复合膜的分离层PDMS改性研究

4．1 气体膜分离原理及性能评价

4．2 实验试剂及仪器

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．3 实验装置

4．4 实验方法

4．4．1 改性复合膜的制备

4．4．2 改性复合膜性能测定

4．5 改性PDMS/PEI复合膜的表征

4．6 结果与讨论

4．6．1 Cu3(BTC)2填充量对PDMS/PEI复合膜性能的影响

4．6．2 压力对改性PDMS/PEI复合膜性能的影响

4．6．3 温度对改性PDMS/PEI复合膜性能的影响

4．7 本章小结

第五章 改性PDMS/PEI复合膜对CO2/CH4混合气体体系的分离研究

5．1 膜分离性能评价参数

5．2 实验材料

5．3 实验装置

5．4 实验试剂及仪器

5．4．1 实验试剂

5．4．2 实验仪器

5．5 实验方法

5．6 结果与讨论

5．6．1 温度对改性PDMS/PEI膜性能的影响

5．6．2 压力对改性PDMS/PEI膜性能的影响

5．6．3 渗余相气体流量对改性PDMS/PEI膜性能的影响

5．6．4 混合气体体系组成对改性PDMS/PEI膜性能的影响

5．7 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书