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PEBA/氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备及CO2分离性能研究

Preparation of PEBA/N,S co-doped porous carbon sphere mixed matrix membrane for CO2 separation

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为了获得高性能的混合基质膜,有效捕集烟道气中的CO2,设计了对CO2有优异的扩散选择性和吸附选择性的氮硫共掺杂多孔碳球添加剂,实现了烟道气中CO2/N2的高效分离.选用表面含氧基团丰富的葡萄糖作为碳源,硫脲作为氮源和硫源,通过水热法制备了氮硫共掺杂碳球(NSC),并用KOH活化,获得了具有多孔结构的氮硫共掺杂碳球(NSPC),再加入聚醚嵌段酰胺(PEBA)中制备出PEBA/NSPC混合基质膜.采用FTIR、XRD和BET表征了材料的化学结构和孔结构,借助力学性能表征了膜的两相界面相容性.系统研究了PEBA/NSPC混合基质膜中葡萄糖与硫脲的质量比、NSC和KOH的质量比、NSPC的添加量、操作压力、操作温度,以及模拟烟道气条件对膜CO2渗透性、CO2/N2选择性的影响.结果表明:NSPC材料成功实现了氮、硫元素的共掺杂,而且具有较好的孔结构.在操作温度25℃、操作压力0.2 MPa的条件下,混合基质膜中NSPC添加量为3％(质量)时气体分离性能最优,CO2渗透系数和CO2/N2选择性分别为589 Barrer和64,相比纯PEBA膜分别提高了 244％和139％.这是因为多孔碳球的微孔结构显著提高了 CO2的扩散选择性,同时氮、硫元素的掺杂因为酸碱相互作用和良好亲和性有效提高了CO2的吸附选择性.稳定性实验表明,PEBA/NSPC混合基质膜在360 h连续运行过程中气体分离性能稳定,具有较好的工业应用前景.

周毅、王永洪、张新儒、李晋平

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太原理工大学化学化工学院,山西太原030024

气体能源高效清洁利用山西省重点实验室,山西太原030024

混合基质膜 活性炭 CO2捕集 烟道气 聚醚嵌段酰胺

国家自然科学基金面上项目山西省回国留学人员科研资助项目山西省回国留学人员科研资助项目广东省高性能与功能高分子材料重点实验室开放基金山西省煤层气联合基金

220782162020-0272021-056201900022015012009

2021

10.11949/0438-1157.20210563

化工学报
中国化工学会 化学工业出版社

化工学报

CSTPCDCSCD北大核心
影响因子：1.26
ISSN：0438-1157
年,卷(期)：2021.72(10)
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