聚乙烯醇/SAPO-34混合基质膜制备及渗透汽化性能综合实验教学设计

针对共沸体系的分离,设计了聚乙烯醇/SAPO-34混合基质膜制备及脱水本科生研究性实验。以聚乙烯醇(PVA)为膜材料、以SAPO-34分子筛为填充材料制备了PVA/SAPO-34混合基质膜,利用SEM、FT-IR和接触角分析等手段对膜的物化特性进行了表征;采用乙醇/水体系,测试了混合基质膜的渗透汽化分离性能。实践结果表明,该实验有助于学生了解化工分离技术的研究前沿,激发科研热情与兴趣,培养创新精神,促进综合实践能力提升。

用于CO_(2)分离的Pebax基混合基质膜稳定性研究进展

膜技术在二氧化碳捕集和分离过程中以高效、节能、经济等优势成为当前研究的热潮。聚合物膜由于可加工性强、成本低廉等优点已被广泛商业化,但聚合物膜存在渗透性和选择性的“trade-off”效应问题,即高渗透性膜选择性反而低,反之亦然。将多孔材料加入聚合物基质中制备的混合基质膜能够实现气体渗透性和选择性的同时提升,成为气体分离膜领域的研究趋势。本文综述了聚醚嵌段聚酰胺(Pebax)为聚合物基质、多孔材料为填料所制备的混合基质膜在二氧化碳分离稳定性方面的研究进展。概述了沸石、金属有机骨架和共价有机骨架三类多孔材料在水、酸、碱和有机溶剂等存在下的化学稳定性并对其机理进行解释。重点介绍了以Pebax为基质的混合基质膜在CO_(2)分离过程中抗湿性和长期稳定性的研究现状。最后,针对膜稳定性在气体分离领域的发展,提出了多孔材料和膜在基础研究中的研究重点,指出了理论交叉实验以及多样化手段评估膜稳定性的研究方向。此外,从填料和聚合物的设计制备角度提出了改善膜稳定性的策略,旨在进一步提升Pebax混合基质膜对CO_(2)混合气体的分离稳定性。

用于光热转化的CuBDC-NH_(2)/PmPD混合基质膜的制备与应用

采用简单高效的软喷雾技术制备了一种具有优良光热转化性能的金属有机框架(MOFs)基混合基质膜(MMM).在含有2-氨基对苯二甲酸(H_(2)BDC-NH_(2))和间苯二胺(mPD)的混合溶液表面均匀喷涂少量铜离子,铜离子同步引发MOFs的自组装和单体聚合,在气/液界面形成大面积的CuBDC-NH_(2)/PmPD MMM.该方法不仅简单高效,而且由于铜离子的双重作用,可以一步合成MOF分布均匀的混合基质膜.所得MMM具有良好的完整性,表现出优异的太阳能水蒸发能力,可用于高效海水淡化.

改性Cu-BTC基混合基质膜在CO_(2)分离中的应用

金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)作为一种有潜力的分离材料,其孔道结构独特,具有高度可调性和选择性,在膜分离领域具有广阔的应用前景。然而,MOFs在潮湿的环境下易损坏,这严重限制了其在膜分离领域的应用。因此,提高MOFs的水稳定性,是实现其在膜分离领域应用的重要问题之一。本文通过柠檬酸铵(ammonium citrate,AC)功能化制备了具有高水稳定性的Cu-BTC-AC填料,并将其与Pebax 1657聚合物共混制备了系列不同掺杂量的MMMs,并考察了25℃饱和水蒸气下所制备Cu-BTC-AC/Pebax膜的CO_(2)/N_(2)分离性能。与纯Pebax膜相比,本工作中制备的MMMs具有更优异的CO_(2)渗透性和CO_(2)/N_(2)选择性,在CO_(2)渗透通量为776.5GPU时CO_(2)/N_(2)选择性为46.7。此外,AC功能化改性赋予填料的高水稳定性使得本工作中制备的MMMs具备了应用于实际工业气体分离的潜力。

不同溶剂对Pebax混合基质膜的CO_(2)分离性能影响

用N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和甲酸作溶剂制备了Pebax/UiO-66-NH_(2)混合基质膜。采用恒体积变压力的方法对膜的气体分离性能进行测试。结果表明,与纯膜相比,在DMF作溶剂时,填料的加入使CO_(2)的渗透系数略微下降,但CO_(2)/N_(2)选择性却大幅提升;在甲酸中CO_(2)渗透系数大幅上升,但CO_(2)/N_(2)选择性只有少量提升。在填料质量分数为2.5%时,DMF铸成的膜在25℃、1.0 MPa测得的CO_(2)渗透系数和CO_(2)/N_(2)选择性分别为126.4 barrer和94.4;而在填料质量分数为7.5%时,甲酸铸成的膜在25℃、0.6 MPa测得的CO_(2)渗透系数和CO_(2)/N_(2)选择性分别为103.5 barrer和104.3。

多孔材料基混合基质膜在二氧化碳分离领域研究进展

混合基质膜兼具聚合物基质和无机/有机填料的优点,成为未来气体分离膜的理想选择。填充材料是混合基质膜的核心部分,其选择与设计极大地影响了薄膜的分离性能。概述了2014—2023年不同类型多孔材料用于制备混合基质膜的研究,从气体选择性、渗透性、稳定性等方面来评价薄膜的分离性能。简要总结了混合基质膜在工业应用中所面临的挑战,为后续新型混合基质膜的设计及研发提供新思路。

构建界面兼容的Por-POF/PIM-1混合基质膜用于CO_(2)/N_(2)高效分离

混合基质膜(MMMs)在实现优异的CO_(2)分离方面潜力很大,但其性能往往受到填料与基质之间界面兼容性差的限制.本研究将卟啉基多孔有机框架(Por-POF)分散在可溶性的固有微孔聚合物(PIM-1)中,制备了一系列高渗透选择性MMMs.Por-POF的纯有机属性增强其与纯有机聚合物基质的相互作用,从而制备界面相容性良好的膜材料.多孔的Por-POF可以增加膜的自由体积分数,提高了薄膜的渗透通量.此外,Por-POF孔壁上富集了大量氮,对CO_(2)具有较强的吸附作用,从而提高CO_(2)/N_(2)选择性.气体渗透实验表明,与纯PIM-1膜相比,Por-POF/PIM-1膜的CO_(2)渗透通量和CO_(2)/N_(2)选择性分别提高了157%和64%.本研究为合理设计和构建高性能的分离膜提供了一种独特的思路.

水稳定功能化Cu-BTC基混合基质膜的制备及其CO_(2)分离应用

为提高混合基质膜(mixed-matrix membranes,MMMs)对真实烟道气和含水天然气的分离性能,通过柠檬酸(citric acid,CA)功能化制备了具有高水稳定性的CA-Cu-BTC填料,并将其与Pebax 1657聚合物共混制备了系列不同掺杂量的MMMs,考察了25℃饱和水蒸气下所制备CA-Cu-BTC/Pebax膜的CO_(2)/N_(2)分离性能。结果表明:与纯Pebax膜相比,制备的MMMs具有更好的CO_(2)渗透性和CO_(2)/N_(2)选择性,在CO_(2)渗透通量为837.2 GPU(1 GPU=3.35×10^(-4)μmol/(m^(2)·s·MPa))时,CO_(2)/N_(2)选择性为49.1。此外,CA功能化改性赋予填料的高水稳定性,使得本文制备的MMMs具备了应用于实际工业气体分离的潜力。

IL@ZnBDC/PI混合基质膜的制备及CO_(2)分离性能研究

选取咪唑型离子液体修饰金属有机框架填料ZnBDC制备IL@ZnBDC纳米复合填料,通过物理共混的方式将其引入PI中制备PI-IL@ZnBDC混合基质膜。结果表明,复合填料的引入改善了填料与PI间的相容性,增加了混合基质膜的分子链间距,强化了膜内CO_(2)扩散过程。同时,离子液体中含有与CO_(2)有较强亲和作用的三氟甲基、磺酸基团和咪唑基团,促进了CO_(2)在膜内的溶解,进而协同强化了PI-IL@ZnBDC混合基质膜的溶解-扩散机制,提升了CO_(2)气体通量和选择性。相较于纯PI膜,PI-IL@ZnBDC-2膜表现出优异的气体分离性能,CO_(2)的渗透系数为10.97 Barrer,CO_(2)/CH_(4)的选择性为42.21,分别较纯膜提升了59.9%和41.5%。

胺化木质素磺酸钠插层水滑石/Pebax混合基质膜的制备及气体分离性能研究

将胺化木质素磺酸钠(AL)通过阴离子交换法插层锌铝水滑石(LDH),得到填料AL-LDH,以聚醚嵌段酰胺共聚物(Pebax1657)为分离膜基材,制备具有一定成本优势的高CO_(2)/N2选择性混合基质膜。通过傅里叶红外变换光谱仪、X射线衍射仪进行定性和结构表征。采用SEM观察AL-LDH和LDH的微观结构。力学性能测试结果表明,3%AL-LDH/Pebax的断裂伸长率和拉伸强度分别达到464.7%和18.7MPa,比纯Pebax膜分别提升了66.4%和12.6%。AL-LDH/Pebax的CO_(2)渗透率最高可达113.60Barrer,比纯膜提高了131%,比LDH/Pebax系列提升了15%,证明AL-LDH能进一步提升混合基质膜的CO_(2)/N_(2)分离和选择性。

铁氮共掺杂活性炭混合基质膜的制备及其水处理性能

传统膜分离过程存在选择性与渗透性的矛盾问题,无法有效去除尺寸小于膜孔的污染物。将铁氮共掺杂活性炭(FeNCs)填充入聚偏二氟乙烯(PVDF)基质中制得一种具有过硫酸氢盐(PMS)活化能力的混合基质膜(FeNCs@PVDF)。通过扫描电子显微镜、能谱分析、X射线衍射、拉曼等表征来测试膜的物理化学特性。以苯酚为目标污染物,考察了FeNCs@PVDF在PMS活化辅助下的水处理性能。结果表明,FeNCs@PVDF耦合PMS活化可以有效去除苯酚,且FeNCs填充度越高越有利于提高催化膜性能。FeNCs填充度为50%的FeNCs@PVDF对苯酚的去除率分别为单独PMS氧化以及单独膜分离的4.8和3.6倍。FeNCs@PVDF催化膜在较宽的pH范围(3~12)内均保持高性能。

共价改性氧化石墨烯/聚砜混合基质膜的研究进展

聚砜(PSF)膜具有易改性、稳定性好和机械强度高等优点,在水处理中得到了广泛应用,但聚砜膜的疏水性造成了严重的膜污染。氧化石墨烯(GO)具有较大的比表面积、良好的化学性能。各种含氧的亲水官能团,如羧基、环氧基和羟基,可用于提高膜的亲水性。介绍了各种共价改性氧化石墨烯的方法,综述了近年来共价改性氧化石墨烯/聚砜膜的应用。与纯聚砜膜相比,改性后的聚砜膜在渗透性、选择性和防污性能方面均有提高,具有克服渗透性-选择性权衡的潜力,有助于提高废水处理能力。

综合创新实验:PP-menm@PI混合基质膜的制备及性能研究

以对二氯苄为原料,通过Friedel-Crafts烷基化反应合成多孔聚合物(PP);以1,2-二甲基乙二胺(menm)为氨基官能化试剂,进一步合成氨基官能化多孔聚合物(PP-menm)。以聚酰亚胺为基质,PP和PP-menm为固体填料制备混合基质膜,并研究其气体分离性能。实验涉及抽滤、离心、真空干燥等基础操作过程,也包括材料表征、膜性能测试等分析过程。开设本综合创新实验有助于提升学生实践操作能力,培养学生的创新精神,激发学生对科研实验的兴趣。

乳液法制备PDMS/ZIF-8混合基质膜及VOC分离性能综合实验教学设计

双碳背景下,挥发性有机物(VOCs)减排受到广泛关注。为此本文设计了乳液法制备PDMS/ZIF-8混合基质膜并用于VOC分离的综合性实验。采用红外光谱、扫描电镜和超景深显微镜对成膜过程、膜结构和形貌进行表征和分析,VOC/N_(2)分离性能测试结果表明PDMA/ZIF-8膜具有良好的VOC分离性能;随着ZIF-8添加量的增加,PDMS/ZIF-8膜的VOC渗透系数呈先减小后增大的趋势,而分离选择性先增大后减小。实验涵盖了文献调研、气体分离膜制备、结构表征分析、性能测试等多种技能训练,可强化学生对化工传质与分离基础知识的理解和拓展,并激发学生的创新潜能,提高学生的自主学习和创新实践等能力。

基于功能化碳纳米管混合基质膜分离CO_(2)的研究进展及产业化应用趋势

二氧化碳(CO_(2))的排放,是导致全球气候变暖的主要原因之一。CO_(2)的捕集、利用与封存技术(CCUS),被认为是减少温室气体的有效方式。膜分离技术作为一种高选择性和低能耗,以及具有较强的可扩展性的碳捕集方法,受到越来越多研究学者的青睐。综述了近年来功能化碳纳米管复合气体分离膜的主要研究进展,详细讨论了碳纳米管的特性、功能化改性、分散形态以及外场辅助对分离膜的影响机制,总结了不同功能化碳纳米管气体分离膜的特性。功能化复合分离膜是以高分子聚合物为基体,加入功能性填料形成的混合基质膜(MMMs),而碳纳米管(CNTs)相较于其他功能性填料,在分离膜的改性强化方面具有很大优势。研究结果表明:对CNTs进行功能基团接枝,有助于提高CO_(2)在MMMs中的扩散速度;CNTs的聚合物的改性,可加速CO_(2)在膜中的传输,提高MMMs对CO_(2)的选择性及渗透性;CNTs的均匀分散,可提高MMMs对CO_(2)的分离效率;外场(磁场和静电场)可使CNTs在聚合物基体中有序排列,为CO_(2)提供有序、长程、易传递的通道,进一步提高MMMs的渗透性。本研究总结了不同形态的CNTs对分离膜的影响,对碳纳米管复合气体分离膜,特别是碳纳米管混合基质膜的未来发展趋势提出了观点;并为以CO_(2)气体分离为重点的工业化应用指明了方向。

二氧化钛纳米粒子-氧化石墨烯/聚酰亚胺混合基质膜的原位聚合及气体渗透性能

以钛酸四丁酯为前驱体,采用浸渍-沉淀法制备二氧化钛纳米粒子-氧化石墨烯(TiO_2-GO)复合物,再将TiO_2-GO复合物与4,4'-(六氟异亚丙基)邻苯二甲酸酐和4,4'-二氨基二苯醚通过原位聚合构建TiO_2-GO/TiO_2-GO/PI(聚酰亚胺)混合基质膜,用于CO_2的渗透脱除.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、热失重(TG)和Zeta电位等表征了TiO_2-GO复合物和TiO_2-GO/PI混合基质膜的形貌与结构;探讨了TiO_2掺杂量对TiO_2-GO复合物及TiO_2-GO/PI混合基质膜的结构和气体渗透性能的影响.结果表明,TiO_2-GO复合物中TiO_2纳米粒子较均匀地沉积在GO片层上,TiO_2纳米粒子在形成的同时破坏了GO的结构,使其无序度增加.TiO_2的掺杂对TiO_2-GO/PI混合基质膜的形貌与结构影响较小,但提升了TiO_2-GO/PI混合基质膜的CO_2和N2渗透性能.但过量的掺杂使TiO_2粒子在GO片层上团聚,从而导致TiO_2-GO复合物在混合基质膜中的分散性变差,CO_2渗透性及CO_2/N2渗透选择性降低.当TiO_2掺杂质量分数为30%时,TiO_2-GO/PI混合基质膜的CO_2渗透性为360 Barrer[1 Barrer=10^(-10)cm^3(STP)·cm/(cm^2·s·cm Hg)=7.5×10^(-14)cm^3(STP)·cm/(cm^2·s·Pa)],CO_2/N_2的渗透选择性可达31.

天然橡胶/碳纳米管混合基质膜的气体传递特性

为了提高CO2分离膜的性能,将多壁碳纳米管(MWCNTs)添加到天然橡胶(NR)中制备NR/MWCNTs混合基质膜。考察了MWCNTs含量对混合基质膜机械性能的影响,研究了MWCNTs含量、进料气压力和热交联时间对NR/MWCNTs混合基质膜CO2分离性能的影响,研究了膜的耐老化性能,探讨了混合基质膜的CO2传递机制。结果表明:随着MWCNTs的增加,混合基质膜的CO2渗透系数逐渐增加,而CO2/N2选择性先增加后减少;当MWCNTs与NR的质量比为2.0%,混合基质膜的气体分离性能达到最优,其CO2渗透系数和CO2/N2选择性分别为138 Barrer和12.5.随着压力的增加,膜的CO2渗透系数和CO2/N2选择性逐渐增加。当热交联时间为24 h,在压力为2 bar下,MWCNTs与NR的质量比为2.0%的NR/MWCNTs混合基质膜的CO2渗透系数和CO2/N2选择性分别为95 Barrer和16.8;且热交联的膜比未交联的混合基质膜具有更优异的耐老化性能,这是因为MWCNTs与NR形成紧密的交联网状结构。

单宁酸改性多壁碳纳米管/聚醚砜混合基质膜的制备及性能

为了改善聚醚砜(PES)分离膜的分离效率和力学性能,使用单宁酸(TA)通过非共价接枝的改性方法对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行修饰得到功能化的TA-MWCNTs,然后将其按照不同比例的添加量与PES共混,使用浸没沉淀相转化成膜的方法成功制备TA-MWCNT/PES混合基质膜,探究不同添加量对膜性能的影响,并使用FT-IR和TEM对TA-MWCNTs的结构和形貌进行测试分析,对膜进行基本的表征和分离过滤的测试。结果表明:成功制备了具有良好分散性的TA-MWCNT;相比于PES膜,TA-MWCNTs的加入使混合基质膜的表面和内部结构发生变化,表面孔隙变多变大,内部指状孔结构变得更明显,并且表面亲水性得到改善,当添加质量分数达到1.5%时,混合基质膜的纯水通量达到了325.91 L/(m^(2)·h),提高了近2.5倍,而对BSA的截留率仍保持在91%以上;膜的拉伸强度从2.63 MPa提高到3.82 MPa,断裂伸长率也从9.28%提高到16.13%。

聚砜/氧化石墨烯混合基质膜制备及其性能

为了优化聚砜膜结构及提高有机膜性能,以聚砜(PSf)为膜材料、N,N-二甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂、聚乙二醇(PEG)为致孔剂、水(H2O)为非溶剂添加剂,氧化石墨烯(GO)为无机纳米材料,采用浸没沉淀相转化法制备PSf/GO混合基质膜;考察GO添加量对PSf体系铸膜液稳定性影响规律,并探索不同GO添加量对PSf/GO混合基质膜结构和性能的影响规律。结果表明:随着GO添加量增加,静置26 h后的铸膜液稳定性动力学指数TSI值从1.02增至7.29,铸膜液稳定性随之变差,PSf/GO混合基质膜断面的指状孔比例随着GO含量的增加而增加,同时,水接触角不断下降;当GO添加量从0增加到0.35%时,PSf/GO混合基质膜的表面开孔率从6.8%增至10.2%,接触角从93°降低到65°,拉伸强度从2.5 MPa增加到3.4 MPa,断裂伸长率从30%降低到20%。当GO添加量为0.35%时,PSf/GO混合基质膜纯水通量比纯PSf膜增加了236 L/(m2·h·bar)(1 bar=100 kPa)。

改性ZIF90-Pebax混合基质膜的制备及CO_(2)分离性能

以骨架结构极稳定的ZIF-90作为掺杂材料,通过后合成修饰(PSM)技术使用不同链长结构的胺烷对ZIF-90进行表面修饰,并探究不同链长结构的改性剂及其用量对ZIF-90与其Pebax基混合基质膜气体分离性能的影响.实验发现,胺烷的改性不仅不会改变ZIF-90的晶体结构,还能够在ZIF-90表面形成“绒毛”状结构,形成有机-有机高相容的界面.除此之外,该“绒毛”结构虽然会降低填料本身的比表面积及孔体积,但是在合适的长度与数量下会与聚合物产生某种特殊的有益于气体分离的相互作用,可以明显提高混合基质膜的分离性能.使用正丙胺改性的PZ90/Pebax系列混合基质膜相较于纯ZIF-90/Pebax,CO_(2)/N2选择性与CO_(2)渗透性都有不同程度的提高,改性程度为20%时分离性能最佳,CO_(2)/N_(2)选择性为70,CO_(2)渗透率达到140 Barrer,与纯Pebax相比分别提高了45.8%和79.4%,接近2008年Robeson上限.