摘要
膜分离技术在CO2/N2分离方面与传统的分离方法相比具有成本低、无污染、设备要求简单等优点。陶瓷膜因其机械强度高、热稳定性好和化学稳定性好而被应用于工业气体的分离。但是经过相转化法和温度梯度烧结法制备得到的陶瓷膜表面具有较大的孔径，要实现气体分离需要减小陶瓷膜表面孔径。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一类含有无机结构的有机硅聚合物，具有良好的耐热性和化学稳定性，其黏度可控、机械强度高。金属有机骨架聚合物（MOF）中最具代表性之一的ZIF-8具有沸石拓扑结构且具有高稳定性和高孔隙率，本文第一部分通过在陶瓷膜表面涂覆PDMS，在PDMS层表面依次沉积多巴胺盐酸盐（PDA）和聚乙烯亚胺（PEI），在复合膜表面引入胺基，提高对CO2的亲和性。第二部分在陶瓷基膜表面分别采用直接涂覆PDMS@ZIF-8有机-无机混合功能层和原位生长ZIF-8后再涂覆PDMS@ZIF-8的方法增加复合膜对CO2的吸附性，提高复合膜对CO2和N2的分离性能。 （1）通过相转化法和高温梯度烧结法制备了以粉煤灰和Al2O3为主要成分的莫来石陶瓷膜，首先通过调节不同分子量PDMS的比例和预交联时间，确定以50 kDa∶2 kDa=2∶1比例制备前驱体溶液，通过涂覆得到M/PDMS后，继续沉积2 mmol·L-1的PDA沉积时间为1.5 h，复合膜表面的水接触角从124.2°降低到70.06°，CO2的渗透速率达到9362 GPU，CO2/N2的选择性为6.5。为高复合膜的气体分离性能，继续在M/PDMS/PDA表面沉积10 mmol·L-1的PEI 15 min得到复合膜M/PDMS/PDA-PEI，CO2的渗透速率提高到10786 GPU，CO2/N2的选择性提高到8.93。 （2）通过水热合成法制备得到ZIF-8，并通过涂覆和原位生长制备得到复合膜M/PDMS@ZIF-8和复合膜M/ZIF-8/PDMS@ZIF-8。首先，在70℃条件下合成的ZIF-8，比表面积达到1818.44 m2/g，且对CO2具有较强的吸附性。以PDMS为连续相，ZIF-8为分散相共混得到的PDMS@ZIF-8溶液，将其涂覆到陶瓷膜表面制备得到复合膜M/PDMS@ZIF-8，在ZIF-8含量为1 wt%时，N2渗透速率为472 GPU，CO2的渗透速率高达4756 GPU，CO2/N2的选择性最高达到10.07。其次，在陶瓷膜表面原位合成ZIF-8后，在顶层涂覆PDMS@ZIF-8混合溶液，当PDMS@ZIF-8中含有0.8 wt%的ZIF-8时，复合膜M/ZIF-8/PDMS@ZIF-80.8 的CO2的渗透速率为3050 GPU，CO2/N2的选择性为10.7。实现了无缺陷的有机-无机复合膜的制备，为气体分离膜的制备提供了新的实验方法和实验思路。
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