氣體分離膜性能測量裝置的搭建與聚合室溫離子液體膜的制備和研究.pdf

1、近年來，室溫離子液體(RTIL)由于結(jié)構(gòu)的多樣性、物理化學(xué)性質(zhì)的可控性強(qiáng)，引起了越來越多的氣體膜研究者的重視。RTIL是由有機(jī)態(tài)的陽離子和有機(jī)或無機(jī)態(tài)的陰離子組成的有機(jī)鹽。由于其熔點(diǎn)通常低于室溫(25℃)，因此被稱為室溫離子液體。研究結(jié)果表明:通過設(shè)計陰、陽離子的結(jié)構(gòu)，RTIL可以具備極高的CO2吸附能力和CO2/N2選擇性吸附能力。經(jīng)過特殊設(shè)計的RTIL形成的支撐液膜(SILM)體現(xiàn)出了杰出的CO2/N2分離性能。
　　SILM

2、中的離子液體容易被高壓氣體擠出支撐層使得SILM的穩(wěn)定性較差，從而失去了分離效果。研究人員為了提高其機(jī)械性能嘗試將液態(tài)RTIL轉(zhuǎn)化為聚合態(tài)RTIL。然而，在液態(tài)RTIL發(fā)生聚合反應(yīng)后，由于材料的密度提高，導(dǎo)致自由體積顯著下降，氣體滲透性能以及CO2/N2的選擇性要遠(yuǎn)低于液態(tài)RTIL中的選擇性。為了解決這一問題，研究人員將RTIL中共混液態(tài)RTIL。由于混入的液態(tài)RTIL保持了其物理特性，使得共混膜有良好的機(jī)械穩(wěn)定性，從而CO2/N2選擇

3、性以及CO2的滲透性能均得到了很大的提升。
　　本課題中，為了研究聚合物膜材料的氣體分離性能，基于雙體積壓力衰減法，設(shè)計并搭建一套可精確測量氣體溶解度的裝置。該裝置可測量不同氣體(He、H2、 N2、 O2、 CH4、CO2、 C2H4、 C2H6、 C3H6、C3H8等)在有機(jī)物，無機(jī)物、非揮發(fā)性液體等材料中的溶解度。設(shè)備的應(yīng)用溫度為室溫-50℃，測量壓力范圍是0-1000 psi（0-66atm）。該設(shè)備采用計算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)

4、，因此具有極高的測量精度（±5％）。在標(biāo)定過程中，采用Virial模型計算標(biāo)定氣體的活度，并用He作為標(biāo)定氣體，通過改變樣品室的體積并測量樣品室與儲藏室的體積比，可精確計算出它們的體積。在測量聚合物氣體吸附量過程中，采用壓力衰減法，通過測量不同壓力下，聚合物達(dá)到吸附平衡時吸附室的壓力衰減，從而計算得到聚合物的等溫吸附曲線。
　　此外，為了研究聚合物膜材料的氣體滲透性能，本課題設(shè)計并搭建一套可精確測量純氣體和混合氣滲透速率以及選擇性

5、的裝置。設(shè)備的應(yīng)用溫度為室溫-50℃，測量壓力范圍是0-750psi(0-50atm)。該設(shè)備采用計算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)，因此具有極高的測量精度。在標(biāo)定過程中，通過稱重法精確標(biāo)定了下游儲氣罐的體積，并通過測量氣體膨脹前、后下游儲氣罐與下游管路的體積比，精確標(biāo)定了下游管路的體積。為了驗證該裝置的準(zhǔn)確性，分別測量了不同壓力下，PDMS膜在35℃時N2、O2及CO2的滲透系數(shù)以及摩爾分?jǐn)?shù)為15/85％的CO2/N2混合氣的滲透系數(shù)及選擇性。測量結(jié)

6、果與文獻(xiàn)中報道的數(shù)據(jù)吻合良好，驗證了該設(shè)備具有極高的準(zhǔn)確性和可靠性。
　　為了制備具有優(yōu)秀CO2吸附能力及CO2/N2分離能力的聚RTIL膜，本課題中，以乙烯基咪唑為單體，通過自由基聚合合成聚乙烯基咪唑基底，隨后，通過與3-溴丙胺氫溴酸鹽的接枝反應(yīng)向咪唑環(huán)上引入含有氨基的功能化官能團(tuán)，最后，通過離子交換反應(yīng)得到含有氨基的poly(RTIL)。對最終產(chǎn)物進(jìn)行FT-IR和1H-NMR結(jié)構(gòu)表征，并通過TGA以及GPC測量膜的各項性能。隨

7、后，通過澆鑄法制得厚度均一的poly(RTIL)膜。結(jié)果表明，本實驗中成功合成并制備含有氨基功能化基團(tuán)的聚室溫離子液體膜，所得產(chǎn)物具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，室溫下為橡膠態(tài)聚合物，并具有較高的分子量，容易成膜。隨后，通過澆鑄法制得厚度均一的聚RTIL膜，使用本課題中搭建的氣體分離設(shè)備測量的所制備的聚RTIL膜的CO2/N2氣體分離性能，為了提高聚合物膜中氨基與CO2的反應(yīng)效率，在聚合物膜上涂覆體積分?jǐn)?shù)比為50％比50％的聚乙二醇(PEG)-