基于CO_2/CH_4渗透分离的固载离子液膜的制备和性能研究

【摘要】生物质燃气又称为“产业沼气”,是生物有机质在厌氧微生物降解过程中产生的高甲烷含量的混合气体,经提质和净化后的CH4含量可达97%以上,生物质燃气是天然气的优良替代能源,开发生物质燃气必定成为助力以“自主”和“绿色转型”为特征的新一轮的国家能源战略转变的一支产业生力军。目前人们普遍认为全球气候变暖与二氧化碳的含量增加有直接关系,化石燃料放出的二氧化碳量占到全球二氧化碳总排放量的80%以上。而从天然气提质、生物质燃气净化过程有效地脱碳是符合低碳消费精神和可持续发展战略的明智选择。固载离子液膜相对于传统膜分离手段具有通量大、选择性高、稳定性好等优势,尤其是在生物质燃气分离过程中有广泛的应用前景,已经成为了近年来世界各国科研人员研究和关注的热点。本文以固载离子液膜在生物质燃气的脱碳应用为研究背景,提高固载离子液膜的气体渗透性能和耐压稳定性为研究目标,进行了一系列改进固载离子液膜性能的探索研究,力图突破支撑离子液膜的产业化瓶颈,具体的研究工作和结论包括：1、首先选取研究了不同碳链长度的1-烷基-3-甲基咪唑类离子液膜渗透性能,考察了传统室温离子液体支撑液膜气体分离中影响CO2/CH4渗透系数和分离选择性的内因和外因：微孔膜基体浸渍室温离子液体过程中物理性质和化学性能均无本质改变；在固载离子液膜的气体分离过程中仅仅提供了对于室温离子液体的容纳和对于液膜体系运行过程的支撑作用,对于传统的室温离子液膜的CO2、CH4气体渗透性能影响较小；离子液体中阴阳离子的选取显著影响了离子液膜对于各种气体的渗透性能,阴离子的选取直接影响到离子液体的粘度而使得离子液体的渗透性能产生显著提高；阳离子的选取同样会影响到离子液体的密度与粘度,随着咪唑阳离子烷基链长度的增加,密度逐渐变小而粘度逐渐变大,两者的协同作用共同影响了液膜渗透速率的变化趋势；本部分中所采用的离子液膜受跨膜压差的影响较小,这一结果表明常规的室温离子液膜在气体渗透过程的机理不含促进传递机制,而仅是溶解扩散机制。2、采用自由基聚合反应方法和离子交换合成了聚离子液体,将聚离子液体掺杂到相应阴离子的室温离子液体中最终制备复合型固载离子液膜。经1H核磁共振分析聚离子液体的核磁谱图与文献数据吻合,表明了合成过程的正确性；复合型固载离子液膜的气体渗透分离性能研究表明：通过掺杂聚离子液体后使得固载离子液膜的气体渗透传递过程中引入了可以与C02发生弱相互作用的骨架阳离子,使得C02气体分子在离子液体相中选择性溶解并渗透通过固载离子液膜的同时,也可以通过与骨架阳离子弱相互作用的形式而实现在固载离子液膜内的促进传递。3、采用3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTES)进行亲水PVDF膜表面改性后制备新的固载离子液膜。考察了PVDF基膜表面改性后的形貌变化,表面看来膜断面区域没有明显的结构性差异,PVDF多孔基膜在被APTES表面改性后依然具有孔分布均匀、孔径规整和孔隙率高的特点；经过红外谱图分析,表面改性后PVDF商品膜在1560cm-1位置处出现了N-H键的弯曲振动引起的新的吸收峰,这一结果有效证明了PVDF表面改性的成功；测试了改性后固载离子液膜的CO2/CH4气体渗透性能,并与传统的室温离子液膜性能进行对比分析,通过孔道壁的功能化使得固载离子液膜的气体渗透传递过程中引入了可以与CO2发生可逆反应的固定载体位点,固载离子液膜的微孔基体改性后诱导产生了CO2气体的双渗透传递行为,通过成功的亲水膜表面改性证明了在保持CO2高选择性的同时提高CO2气体渗透性能的有效方法。4、采用缩聚反应方式探索合成了本征微孔聚合物(polymerofintrinsicmicroporosity)PIMl,将聚砜、PIM1和离子液体共混成膜制备复合型固载离子液膜。经1H核磁共振分析与文献数据吻合表明成功合成出PIM1；气体渗透分离性能研究证明通过本征微孔聚合物PIM1能够有效改善有机高分子膜的气体渗透性,两种离子液体适量加入该混合型离子液膜体系中能够提高离子液膜的气体渗透选择性,为后续的固载离子液膜发展奠定了良好的实验基础。
【作者】孙祥军；
【导师】李晋平；
【作者基本信息】太原理工大学，化学工程与技术，2014，博士
【关键词】生物质燃气；CO2/CH4分离；固载离子液膜；膜渗透系数；溶解扩散机制；促进传递机制；

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