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谈述耐压离子液体PVDF共混CO_2分离复合膜制备优化学术

收藏本文 2024-02-15 点赞:5704 浏览:13987 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:节能减排已成为时代主题,CO2分离作用重大。膜法分离CO2因其节能高效、环境友好、投资低等优点而备受重视。许多离子液体对CO2具有很好的溶解选择性和渗透性,在CO2分离方面运用潜力巨大。利用离子液体有望制备高性能CO2分离膜,但仍有着-些亟待解决的不足,如:离子液体支撑液膜高压下膜液易流失;聚离子液体膜的CO2渗透系数不高,单体材料少。将离子液体与聚合物共混制膜,有望制备选择性和渗透性能俱佳的CO2分离膜,同时提升膜的稳定性,本课题对此进行了系统探讨。本论文选择溶剂蒸发法作为共混膜的制备策略,通过论述和实验相结合,确定了两种共混制膜系统[bmim][PF6]-PVDF/PP和[bmim][Tf2N]-P VDF/PP。根据正交试验确定了离子液体含量、PVDF浓度和溶剂蒸发温度等制膜条件对共混复合膜分离性能影响的主次顺序,发现离子液体对膜的CO2分离起主导作用。首先对[bmim][PF6]-PVDF/PP膜的制备条件进行了系统优化。离子液体的加入使得PVDF的结晶性减弱,共混膜逐渐形成有利于CO2渗透的离子液体连续通道。膜的C02渗透速率和选择性均随着[bmim][PF6]含量的增加而增大,[bmim][PF6]含量为60%时,膜的CO2/N2和CO2/CH4选择性达到最大,分别为40.8和24.1,对应的CO2渗透速率为42GPU。当[bmim][PF6]的含量超过50%时,膜的CO2/N2分离性能突破了Robeson上限,优于常用的聚合物膜。[bmim][PF6]含量为60%的膜在小于0.6MPa的操作压力范围内,CO2分离性能保持稳定,膜的耐压性能显著优于离子液体支撑液膜,气体渗透遵循溶解-扩散机理。在0.4MPa的压力下连续操作30天,膜分离性能没有发生下降,具有较好的长期耐压稳定性。适宜制备共混复合膜的PVDF浓度为18-24%,随着PVDF浓度的增加,膜的气体渗透速率减小,选择性增大。膜的CO2渗透速率和选择性均随着溶剂蒸发温度的升高而下降,能够制备具有较好分离性能膜的温度范围是30-60℃。以Maxwell模型对共混膜的CO2和CH4渗透系数进行了预测,结果表明离子液体对膜的气体渗透性能起主导作用,以离子液体为连续相的预测值更接近实验值,当离子液体体积分率超过50%时,预测结果和实验值具有很高的相符度。利用[bmim][Tf2N]的高CO2渗透性与PVDF共混制膜,进一步提升了共混膜的CO2分离性能,膜最大CO2/N2和CO2/CH4选择性分别为36.2和23.8,对应CO2渗透速率为93.7GPU,其CO2/N2和CO2/CH4分离性能均超过了聚合物膜的Robeson上限。同样离子液体含量下,[bmim][Tf2N]-PVDF/PP膜的CO2渗透速率为[bmim][PF6]-PVDF/PP膜的2-3倍,前者的耐压性也较后者有所提升。关键词:离子液体论文PVDF论文共混复合膜论文CO_2分离论文耐压性能论文

    摘要4-5

    Abstract5-10

    引言10-11

    1 文献综述11-29

    1.1 CO_2分离的作用及技术11-14

    1.1.1 分离捕集CO_2的背景和作用11-13

    1.1.2 CO_2的分离策略13-14

    1.2 分离O_2的膜技术14-19

    1.2.1 CO_2分离膜14-17

    1.2.2 CO_2透过膜的传递机理17-18

    1.2.3 制备CO_2分离膜的相转化法18-19

    1.3 CO_2在离子液体中的溶解和扩散性质19-23

    1.3.1 离子液体介绍19-20

    1.3.2 CO_2在离子液体中的溶解性质20-23

    1.3.3 CO_2在离子液体中的扩散性质23

    1.4 分离CO_2的离子液体膜探讨进展23-28

    1.4.1 离子液体支撑液膜24-25

    1.4.2 聚离子液体膜25-27

    1.4.3 离子液体-聚合物共混膜27-28

    1.5 选题依据和探讨内容28-29

    2 实验部分29-33

    2.1 实验材料及试剂29-30

    2.2 膜制备历程及设备30-31

    2.2.1 实验设备30

    2.2.2 共混铸膜液的配制30

    2.2.3共混膜的制备30-31

    2.3 膜分离性能测试及装置31-32

    2.4 膜表征浅析策略及仪器32-33

    2.4.1 膜表征浅析仪器32

    2.4.2 膜表征浅析策略32-33

    3 膜制备策略和共混制膜系统的确定33-43

    3.1 共混膜制备策略的确定33-34

    3.2 离子液体的选择34-35

    3.3 聚合物的选择35-38

    3.4 支撑膜的选择38-40

    3.5 正交试验40-41

    3.6 本章小结41-43

    4 [bmim][PF_6]PVDF/PP膜的制备优化及性能探讨43-59

    4.1 [bmim][PF_6]含量对共混复合膜结构和性能的影响43-51

    4.1.1 不同[bmim][PF_6]含量的共混膜的XRD浅析43-44

    4.1.2 不同[bmim][PF_6]含量的共混膜的DSC浅析44-45

    4.1.3 [bmim][PF_6]含量对共混复合膜结构的影响45-48

    4.1.4 [bmim][PF_6]含量对共混复合膜CO_2分离性能的影响48-51

    4.2 PVDF浓度对共混复合膜结构和性能的影响51-52

    4.2.1 PVDF浓度对共混复合膜结构的影响51-52

    4.2.2 PVDF浓度对共混复合膜CO_2分离性能的影响52

    4.3 溶剂蒸发温度对共混复合膜结构和性能的影响52-54

    4.3.1 溶剂蒸发温度对共混复合膜结构的影响52-53

    4.3.2 溶剂蒸发温度对共混复合膜CO_2分离性能的影响53-54

    4.4 [bmim][PF_6]-PVDF/PP膜的耐压性能54-56

    4.5 [bmim][PF_6]-PVDF共混膜的气体渗透行为56-58

    4.6 本章小结58-59

    5 [bmim][Tf_2N]-PVDF/PP膜的性能探讨59-70

    5.1 [bmim][Tf_2N]-PVDF/PP膜的结构和分离性能59-66

    5.1.1 不同[bmim][Tf_2N]含量的共混膜的XRD浅析59-60

    5.1.2 不同[bmim][Tf_2N]含量的共混膜的DSC浅析60-61

    5.1.3 两种共混膜的拉伸强度测试61

    5.1.4 [bmim][Tf_2N]-PVDF/PP膜的结构61-64

    5.1.5 [bmim][Tf_2N]-PVDF/PP膜的CO_2分离性能64-66

    5.2 [bmim][Tf_2N]-PVDF/PP膜的耐压性能66-67

    5.3 [bmim][Tf_2N]-PVDF共混膜的气体渗透行为67-68

    5.4 本章小结68-70

    结论70-72

    革新点与展望72-73

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