ZIF-8改性自具微孔聚合物膜的制备及其对CO_(2)的分离性能

为了提高自具微孔聚合物(PIMs)膜对CO_(2)的分离效果,对PIM-1膜进行功能化改性。首先,将PIM-1膜通过水解、置换等作用引入Zn2+离子,再将改性后的PIM-1膜浸泡在2-甲基咪唑的甲醇溶液中,于室温下在膜表面生长类沸石咪唑酯框架-8(ZIF-8)选择层,经过硅橡胶填补后得到无缺陷ZIF-8改性PIM-1膜(pZIF-8@PIM-1),并对其性能和结构进行测试和表征。结果表明:在离子改性后的PIM-1膜表面成功生长了厚度约0.8μm的ZIF-8选择层,晶体尺寸大小均匀,粒径直径在200 nm左右;与PIM-1纯膜相比,由于多价金属离子交联及ZIF-8选择层的存在,pZIF-8@PIM-1的CO_(2)扩散系数明显下降,CO_(2)/N_(2)扩散选择性有所上升,由0.89提升到1.01;ZIF-8中含氮有机杂环与CO_(2)之间的Lewis酸碱作用及2-甲基咪唑环上静电势对CO_(2)的亲和作用,使得pZIF-8@PIM-1的CO_(2)溶解度系数上升,且CO_(2)/N_(2)溶解选择性也得到提升,由18.56提升到20.31;改性后的PIM-1膜CO_(2)/N_(2)扩散选择性及CO_(2)/N_(2)溶解度选择性的双重提升共同促进了CO_(2)/N_(2)分离系数的提升,由原膜的16.57增加到20.43,具有良好的CO_(2)分离性能。

CO_(2)刺激响应球型水凝胶的制备及在蛋白质分离中的应用

以纤维素、甲基丙烯酸二甲基胺基乙酯和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺等为原料制备了纤维素/聚甲基丙烯酸二甲基胺基乙酯互穿网络复合水凝胶材料(GCel/PD)。GCel/PD材料具有显著的CO_(2)刺激响应特性,能有效地吸附分离牛血清白蛋白(BSA)。其中,对BSA的最大吸附量可达(434.4±15)mg/g。在CO_(2)/N2氛围的循环切换下,GCel/PD材料表现出良好的循环稳定性,在循环使用3次之后,对蛋白质的吸附量仍能达到167.5 mg/g。使用之后,颗粒状GCel/PD便于从体系中分离出来,有望在蛋白质的分离提取方面得到应用。

低温太阳热能与化学链燃烧相结合控制CO_2分离动力系统

本文探索并提出控制CO2分离的低温太阳热能与清洁合成燃料甲醇-三氧化二铁化学链燃烧相结合的新颖能源动力系统。基于图象(?)分析方法,明确地指出甲醇化学链燃烧能量释放过程燃烧堋损失减小和低温太阳热能品位提升的机理。从能源有效利用和环境相容出发,研究和揭示化学链燃烧与太阳能有机整合共同减小CO2分离能耗的特性规律。相比不分离常规联合循环,新系统(?)效率提高约6．2个百分点;与分离CO2的联合循环相比,新系统媚效率提高约14．2个百分点。同时,低温太阳热能热转功效率可达到22．5％。

温室气体CO_2低温分离过程的研究

基于一套等温VLE的文献数据,本文首先以状态方程法,分别选用RKS、PSRK、PR、RKS-BM、PR-BM和UNIQUAC等热力学模型进行计算,考察了这些模型对CO_2-H_2体系适用性。结果发现RKS方程和PR方程适应性较好。对CO_2-H_2的低温分离工艺进行了模拟,并进行了热力学分析,每生产1kg CO_2需消耗425.83 kJ压缩功和496.79kJ的低温(-125℃)冷量。

基于低温液化技术的CO_(2)捕集流程设计及分析

在工业生产中实现CO_(2)减排是一项艰巨的挑战,也是应对全球变暖的重要技术路线。CO_(2)捕集技术已得到了一定程度的发展,其中低温液化法具有可行性和经济性。利用工艺流程模拟软件Aspen Plus对低温液化分离CO_(2)工艺进行全流程模拟,选择3种物性方法对混合气的泡露点线进行模拟分析,基于某公司排放的含有高浓度CO_(2)的CO_(2)/N_(2)混合气为碳源,并对比文献数据,选择PR(Peng Robinson)状态方程作为本工艺的物性方法。分析了液化压力和温度对混合气液化率及CO_(2)纯度的影响,以CO_(2)液化率不低于90%、纯度不低于99.5%为目标,确定了最佳液化条件。为了最大限度地减少能耗,优化了冷却介质流量、冷凝温差、蒸发温度等工段参数,在最优条件下,CO_(2)液化率达91.80%、纯度达99.50%,液化单位总能耗最低为12.22 kW·h/kmol。该研究可为低温液化分离CO_(2)工艺设计与性能优化提供理论支持和技术参考。

含氨有机硅膜在湿气条件下用于CO_(2)分离的研究

以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)为硅源前驱体制备了含氨有机硅膜,并与1,2-双(三乙氧基硅基)乙烷(BTESE)制备的有机硅膜进行对比,研究了湿度对两种有机硅膜进行CO_(2)分离性能的影响。结果表明:APTES膜随湿度的增加CO_(2)渗透率降低幅度不明显,而BTESE膜由于水蒸汽在膜孔中发生毛细凝聚现象,从而造成CO_(2)渗透率降低幅度较大;相比于APTES膜,BTESE膜的CO_(2)/N_(2)选择性仅增加了0.43倍,APTES膜的CO_(2)/N_(2)选择性增加了0.91倍。这是由于APTES支链上的氨基基团在水的存在下能促进CO_(2)的传输,说明含氨有机硅膜在湿气条件下对CO_(2)的分离具有良好的应用前景。

MIL-101-OH纳米流体混基质膜的制备及其CO_(2)分离性能

随着温室效应导致的全球变暖和海平面上升等环境问题日益严峻,碳捕集利用与封存(CCUS)就显得尤为重要.金属有机框架(MOF)混合基质膜(MMMs)因具有分离效果好、渗透性高的特点而广受关注,但仍存在和聚合物基质相容性差等问题,降低了其潜在的应用价值.本研究采用共价键连接的方式,以MIL-101-OH为主体,以偶联剂KH560为连接层,以聚醚胺M2070为冠状层制备出MIL-101-OH无溶剂纳米流体(MIL-101-OH-M2070),并与Pebax1657制备混合基质膜,研究其CO_(2)分离性能.结果表明,MIL-101-OH和聚醚胺M2070间共价键的连接方式既解决了MOF界面相容性差的问题,同时也提高了聚醚胺机械性能、热稳定性.此外,MIL-101-OH-M2070凭借MIL-101-OH的优良孔隙率和M2070的CO_(2)亲和性,大幅提高了混合基质膜中CO_(2)的扩散系数和溶解系数.相较于Pebax1657纯膜,MIL-101-OH-M2070 MMMs的CO_(2)渗透系数可以达到Pebax1657纯膜的215%,且选择性基本不变.

基于膜分离的沼气及烟气CO_(2)捕集技术应用进展

在实现“碳达峰、碳中和”目标过程中,碳捕集技术成为当下研究热点之一。目前,碳捕集技术主要包括吸收法、吸附法、膜分离法等。在众多碳捕集技术中,膜分离法利用气体分子在膜内渗透速率的差异实现分离,具有节能、高效、操作方便且无二次污染等优势,是近些年发展迅速的CO_(2)捕集技术。在过去的几十年里,虽然在文献中有许多种不同的碳捕集膜材料被报道,其CO_(2)分离性能远超Robeson上限,但只有少数膜材料被应用于工业过程中,或正在向工业应用方向发展。事实上,许多膜的研究在实验室规模下进行,测试膜面积较小,且对于膜分离法的实际应用报告较少。结合工业CO_(2)分离/捕集过程,介绍了商业膜和经过中试规模测试的膜的应用,分析了膜分离技术用于沼气脱碳和烟气碳捕集的试验进展及工程应用案例,并针对当前存在的问题,提出对未来基于膜分离法的工业碳捕集的发展方向的建议。

低温等离子体转化CO_(2)及分解机理研究

如何实现CO_(2)循环和高效利用已成为环境领域亟须解决的热点问题。低温等离子体(low-temperature plasma,LTP)技术因其独特的非平衡优势,可以在大气压常温条件下高效打破C=O双键,为实现CO_(2)高效转化提供了新方案。然而,如何提高等离子体催化CO_(2)的转化率及能量效率仍须深入研究。该综述首先总结了当前国内外不同类型的LTP转化CO_(2)的研究进展,通过分析LTP作用CO_(2)的分解机理,揭示了单独等离子体作用下转化率和能量效率难以同时提升的关键机制,在此基础上,总结了催化剂与等离子体的协同效应,并分析了催化剂的引入对转化率及能量效率的影响。最后,指出了低温等离子体催化CO_(2)转化未来的研究重点。

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。

油田伴生气中CO_(2)和轻烃的纯膜分离新技术

在油田开发过程中,大量用于驱油并伴随原油采出的CO_(2)和轻烃(C_(2)~C_(5))被直接排放,不仅浪费资源,还污染环境,不符合CO_(2)驱油环保理念,回收CO_(2)和高附加值的轻烃势在必行。为此,通过分析某CO_(2)捕集、利用与封存(CCUS)示范区建成后伴生气组分的变化,优选聚乙烯胺膜、聚二甲基硅氧烷膜针对伴生气中的CO_(2)和轻烃开展室内分离试验,采用PROⅡ软件对伴生气分离整体流程进行了模拟仿真、开展了流程优化设计和装置试制,确定了膜技术分离油田伴生气中CO_(2)和轻烃的适用性,并开展了现场试验。研究结果表明:①随着CCUS示范区CO_(2)的注入,CO_(2)对地层中的轻烃组分具有一定的萃取作用,并导致其含量逐渐上升,需要回收被采出至地面的CO_(2)和高附加值的轻烃;②聚乙烯胺膜对CO_(2)具有强促进传递作用,CO_(2)浓度、温度、湿度为主要影响因素,CO_(2)两级分离率可达到96%;③聚二甲基硅氧烷膜对轻烃具有良好的选择性,碳值越高选择性越好,压力比、温度为主要影响因素,分离率最高可达70%;④聚乙烯胺和聚二甲基硅氧烷2种膜均具有优异的长期运行稳定性,印证了膜法分离CO_(2)和轻烃的能力;⑤试制膜分离撬装装置600 h现场试验装置运行稳定,分离效果和室内试验及数值模拟数据基本吻合。结论认为,采用纯膜法分离油田伴生气中的CO_(2)和轻烃投资低、能耗低,节能环保,具备长期应用的潜力。

基于沸石分子筛的CO_(2)分离膜研究进展

综述了基于沸石分子筛材料的CO_(2)分离膜的研究进展,主要介绍了由不同拓扑结构沸石分子筛制备的无机膜和以沸石分子筛作为填料的混合基质膜的CO_(2)/CH_(4)分离性能,探讨了两种膜目前的研究瓶颈和相应的改进方法。针对以上几点,提出未来的研究重点在于超薄无机膜的制备及缺陷修复、混合基质膜的结构调控及构效关系研究,进而推动基于沸石分子筛材料的CO_(2)分离膜向工业化迈进。

CO_(2)-EOR井中低温对封隔器及密封圈性能影响

“双碳”背景下,碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)技术将发挥关键作用,其中针对CO_(2)-EOR井中低温对封隔器及密封圈老化问题,首先建立CO_(2)在注入井中温度分布理论模型;然后通过有限元方法建立密封圈数值模拟模型,开展不同温度下橡胶密封圈的等效应力、接触压力和真实应变的研究,并分析低温对密封圈力学性能影响和低温老化的原因。结果表明:CO_(2)注入井中封隔器密封工作温度在其玻璃化转变温度T_g以上,正常工作不会产生低温老化;低温对注入管阀门密封圈的力学性能影响显著,较常温环境下的Mises应力和接触压力上升3~4倍。当环境温度低于T_(g)后,密封圈将会从高弹态转变为玻璃态,其硬度增加、弹性降低,老化程度逐渐加深,导致密封圈接触压力小于介质压力而失效。

CO_(2)捕集和分离技术研究进展

温室气体CO_(2)排放量巨大是导致全球气候变暖的主要原因之一,CO_(2)捕集、利用与封存(CCUS)技术是未来化石燃料大规模利用中实现CO_(2)近零排放的唯一路径。综述了燃烧前CO_(2)捕集、燃烧后烟气中CO_(2)捕集、燃烧中CO_(2)捕集(富氧燃烧和化学链燃烧)技术的研究与应用现状,总结了吸收法、吸附法、膜分离法等CO_(2)分离技术的研究进展,并指出:未来在积极开发高效、节能CO_(2)捕集技术的同时,应着重提高CO_(2)气体高值利用技术的研究力度,以降低CCUS的成本。

用于CO_(2)分离的含氨基酸盐促进传递膜研究进展

膜分离法由于其高度模块化、占地面积小、化学排放低或无化学排放和易于操作等优势,被广泛认为是有前途的CO_(2)分离技术.然而,对于气体分离,大多数聚合物膜遵循溶解-扩散机制,因此需要在气体渗透性和选择性之间进行权衡,使CO_(2)分离膜在工业应用中受到限制.而促进传递膜被认为是克服这一限制的有效解决方案.本文综述了用于CO_(2)捕集的含氨基酸盐促进传递膜的研究进展,并针对目前存在的问题,对未来含氨基酸盐的促进传递膜的发展方向提出了建议.

碱金属修饰的萘炔/萘二炔对CO_(2)选择性吸附分离的理论计算

采用巨正则蒙特卡洛模拟和密度泛函理论结合的方式探究了不同碱金属(alkali metal,AM,包括Li、Na、K)修饰提升萘炔(naphyne,NY)和萘二炔(naphdiyne,NDY)的CO_(2)吸附分离性能。通过结合能和结构的电子性质分析发现,AM修饰的NY和NDY具有良好的结构稳定性。在298 K、100 k Pa的条件下,Li修饰的萘二炔(Li-NDY)表现出高达11.37 mmol·g^(-1)的CO_(2)吸附量和430.85的CO_(2)选择性(优于N_(2))。同时,利用气体吸附密度分布揭示了不同AM修饰的NY/NDY(AM-NY、AM-NDY)具有高吸附量的原因,以及二者作用效果差异的本质。最后,从吸附热、库仑和范德瓦耳斯相互作用等角度详细说明了AM引入的改性机制。

基于二维蛭石纳米片混合基质膜分离CO_(2)/CH_(4)性能研究

本研究以聚醚-聚酰胺嵌段共聚物(Pebax)为高分子膜基质,二维蛭石纳米片(VMT)为填充剂,制备不同填充量的混合基质膜(Pebax-VMT MMMs)。利用蛭石纳米片的结构以及其在混合基质膜内的排列方式,为CO_(2)构筑传输通道,同时提高膜对CO_(2)/CH_(4)的分离性能。通过对Pebax-VMT MMMs的表征和气体分离特性进行研究,结果表明,填充VMT后混合基质膜在CO_(2)/CH_(4)体系中的分离效果明显增强。当VMT填充量为5 wt%时,Pebax-VMT MMMs表现出了最优的CO_(2)分离性能,CO_(2)的渗透量为489.31 Barrer, CO_(2)/CH_(4)的选择性为39.96,与纯Pebax膜相比,CO_(2)渗透量增加98.3%,同时CO_(2)/CH_(4)的选择性增加84.2%。

ZIF-8/PSF复合膜的制备及其CO_(2)分离性能研究

由无机填料和有机基质组成的混合基质膜(MMMs)被广泛认为在CO_(2)分离中发挥着重要作用.本研究开发了一种逐层复合工艺,即通过浸涂-热转换制备与载体结合强度高的ZIF-8薄膜层,而后涂覆PSF聚合物溶液使其与ZIF-8膜层紧密结合得到ZIF-8/PSF混合基质复合膜.ZIF-8/PSF复合膜展现出CO_(2)优先渗透性能,对于等摩尔CO_(2)/CH_(4)混合气分离,CO_(2)渗透率为1.5×10^(-8)mol/(m^(2)·s·Pa),CO_(2)/CH_(4)的选择性为39.此外,ZIF-8/PSF复合膜具有优异的耐温性、耐压性、以及长周期稳定性.

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.

利用水热二次生长法制备用于H_(2)/CO_(2)分离的KAUST-8膜

KAUST-8纳米片比表面积和孔隙率较高、铝金属位点丰富,因此具有出色的二氧化碳吸附能力.在本研究中,采用水热二次生长技术,在粗糙的大孔α-Al_(2)O_(3)载体管上,引入氧化铝和硝酸镍作为前驱体,其中,Al_(2)O_(3)用于控制无机支柱[AlF_(5)(H_(2)O)]^(2-)的生长,Ni(NO_(3))_(2)·6H_(2)O用于提高金属前驱体镍源在溶剂中的溶解度,促进Ni(Ⅱ)-吡嗪方格的形成,并与无机柱中心[AlF_(5)(H_(2)O)]^(2-)反应,合成了多晶KAUST-8膜.并进一步探讨了反应物浓度、时间、温度等合成条件以及溶剂对KAUST-8膜性能的影响.优化后的KAUST-8膜的H_(2)渗透率为1.27×10^(-7)mol/(m^(2)·s·Pa)(25℃、0.1 MPa条件下),H_(2)/CO_(2)的理想选择性为19.3.