多孔材料改性聚二甲基硅氧烷-聚醚酰亞胺用于氣體分離的研究.pdf

1、在天然氣的開采過程中，伴生有大量的CO2氣體，CO2的存在會降低天然氣的熱值，同時會增加運輸過程中的安全隱患，通過氣體膜分離過程去除天然氣中的CO2是一種簡便高效的方法。如今，使用最廣泛的氣體膜分離材料是傳統(tǒng)的高分子有機材料，然而高分子有機膜的分離性能與滲透性能之間相互制約，且不能通過傳統(tǒng)結構改性的方法克服;無機膜在分離與滲透性能上遠優(yōu)于高分子有機膜，然而卻由于技術限制，現(xiàn)階段生產成本較高。因此將二者優(yōu)勢結合，制備出高性能的有機-無機復

2、合膜，是當今研究的熱點。
　　向聚合物中加入具有特殊吸附作用的多孔無機材料可以提高聚合物的分離性能并增強其滲透性能。ZSM-5分子篩與金屬有機骨架化合物Cu3(BTC)2均是具有規(guī)則孔徑與較大孔隙率的材料，大量的研究表明，向高分子有機膜中填充ZSM-5分子篩與Cu3(BTC)2可以提高復合膜的整體性能。
　　本文首先將ZSM-5分子篩填充至聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，制備了聚二甲基硅氧烷/聚醚酰亞胺(PEI)復合膜，并考察

3、了ZSM-5分子篩填充量與原料氣壓力對復合膜滲透與分離性能的影響。實驗結果表明，ZSM-5分子篩填充量為20％的復合膜分離效果最佳，CO2/CH4的分離因子達到4.63，O2/N2達到2.7，比純PDMS膜材料分別提升32.3％與22.7％，但是通過電鏡圖發(fā)現(xiàn)，ZSM-5分子篩在PDMS中分散不均勻，進一步放大后發(fā)現(xiàn)，二者之間結合不好，影響了整體性能。
　　通過向膜液中引入兩種硅烷偶聯(lián)劑，改造了ZSM-5分子篩顆粒表面性質，促進其

4、在PDMS中的分散并且加強其與PDMS結合。通過正辛基三乙氧基硅烷(OTES)與三甲基二硅氧烷(HMDSO)兩種改性劑的對比實驗發(fā)現(xiàn)，使用OTES改性的復合膜分散更加均勻，即使在高倍放大下仍未發(fā)現(xiàn)空隙?？疾炝吮砻娓男院髲秃夏ぴ诓煌琙SM-5分子篩填充量以及不同壓力下，滲透系數(shù)以及分離因子的變化。實驗結果表明，填充經過表面改性的ZSM-5分子篩的復合膜與填充未改性分子篩的復合膜相比，前者的無機相與有機相之間的結合面結構更好，復合膜氣體分離

5、性能得到很大提高;同時OTES改性的復合膜在分離性能上優(yōu)于HMDSO改性的。使用OTES改性的復合膜在填充量為20％時，COJCH4的分離因子達到5.36、O2/N2達到3.6。同時，較高的壓力有利于提高復合膜的氣體分離與滲透性能。
　　在填充ZSM-5分子篩的復合膜的研究中發(fā)現(xiàn)，使用5A級ZSM-5分子篩填充PDMS這類滲透性能良好的聚合物時，ZSM-5分子篩的加入會降低復合膜的滲透性能，不利于氣體的滲透。
　　將Cu3(

6、BTC)2填充到PDMS/PEI復合膜中并考察復合膜在不同Cu3(BTC)2填充量與壓力下的性能。結果表明:在填充量為20％時，復合膜對CO2/CH4的滲透性能與選擇性能均優(yōu)于ZSM-5分子篩填充的復合膜，分離因子可以達到5.56;同時較高的壓力有利于復合膜的氣體分離與滲透性能。
　　將填充量為20％的填充OTES改性ZSM-5分子篩的復合膜與填充量為20％的填充Cu3(BTC)2的復合膜分別用于CO2/CH4混合氣體體系實驗，用

7、來模擬天然氣開采過程中的混合氣體。實驗考察了原料氣壓力、原料氣中CO2濃度以及滲余相氣體流量對混合氣分離效果的影響。結果表明:進料壓力對復合膜的滲透性能影響不大，對于填充Cu3(BTC)2的復合膜，高壓下分離因子略有上升，而對于填充ZSM-5分子篩的復合膜，高壓下分離因子略有下降;對于填充Cu3(BTC)2的復合膜，較低的CO2組成有利于氣體的分離;而對于填充ZSM-5分子篩的復合膜，較高的CO2組成有利于氣體的分離。較低的滲余相氣體流