摘要
膜分离技术是应用于工业碳捕集极具发展潜力的方向之一，具有高效节能、操作简单等优势。开发高性能气体分离膜材料是降低成本、实现工业化的关键。本文以聚酰亚胺(polyimide，PI)为研究对象，以制备综合性能优越的气体分离膜为目标，通过向聚酰亚胺基质中添加氧化石墨烯填充剂制备混合基质膜，强化气体在膜内的传质机制，实现膜渗透通量和分离性能同时提升的目的，对高性能气体分离膜的开发和应用具有理论和指导意义。主要研究工作如下： 为制备高性能的混合基质膜，优选了具有不同官能团结构的单体材料，将其合成一系列聚酰亚胺聚合物。通过对不同单体合成的聚酰亚胺的溶解性测试、X射线衍射实验测试、热重-示差扫描量热分析及自由体积分数的计算，构建了不同单体基团与聚酰亚胺物理性质和气体渗透通量之间的关系。在所制备的四种聚酰亚胺中，6FDA-2,6-DAT型聚酰亚胺膜的综合性能最优。向优选的PI中掺杂GO纳米片制备得到了PI-GO混合基质膜。具有高纵横比的GO纳米片可以干扰高分子链的排布，避免高分子链的紧密堆砌。当填充量达到0.5wt%时，PI-GO膜气体渗透通量从47barrer下降至22barrer，CO2/CH4和CO2/N2分离性能分别提升至50.28和31.97，与纯膜相比分别提升了26%和60%。 为促进混合基质膜在室温和中温分离工艺条件下对CO2传递的作用，首次将还原磺化氧化石墨烯(reduced sulfonated graphene oxide，rs-GO)掺杂在聚酰亚胺中制备混合基质膜。填充剂rs-GO因具有带负电的磺酸基团，使其可以在有机相中表现出良好的分散性。制备得到的混合基质膜在35℃的室温条件75℃的中温条件下均表现出了优异的气体分离性能。在最优填充量和中温操作环境中，对于CO2/CH4体系，CO2渗透通量相较纯膜增长了48%，分离性能提升了104%；对于CO2/N2体系，CO2渗透通量相较纯膜增长了105%，分离性能提升了107%。同时，混合基质膜在中温条件下表现出良好的长周期稳定性。气体分离性能的提升主要因为较高焓值的磺酸基团对CO2具有较强的氢键作用力，在室温和中温条件下均可以稳定强化CO2的溶解性能。此外，通过拉曼光谱证明，还原磺化后的改性氧化石墨烯产生了更多的孔缺陷，为气体传输提供了额外的快速传递通道。
NETL