十七氟癸基修饰的有机-无机杂化二氧化硅膜材料及氢气分离研究

论文摘要

微孔SiO2膜具有耐高温、化学稳定性好、机械强度大、孔隙率高、可修复性好等优点，被认为是一种在氢气分离中具有广泛应用前景的膜材料。但SiO2膜的水热稳定性差，长期暴露于水热环境下SiO2膜在60°C时就会发生分解反应从而导致SiO2膜形成缺陷，影响气体分离效果。其原因是SiO2膜网络结构上的羟基能够与环境中的水分子相结合，因此用疏水基团取代部分羟基是一种有效地提高SiO2膜的水热稳定性的方法。本文采用1,2-双（三乙氧基硅基）乙烷（BTESE）和十七氟癸基三乙氧基硅烷（PFDTES）为前驱体，在酸性条件下采用溶胶凝胶法制备十七氟癸基修饰的有机无机杂化二氧化硅溶胶，在洁净室条件下利用浸渍提拉法在γ-Al2O3/-Al2O3多孔陶瓷基体上涂膜，然后在N2气氛保护下烧结成完整无缺陷的有机-无机杂化SiO2膜。应用动态光散射技术（DLS）、光学接触角测量仪、红外光谱（FT-IR）、热重分析（TG）、扫描电镜（SEM）等测试手段对膜材料的溶胶粒径、疏水性、形貌进行了表征，并在自制的气体渗透装置上研究了气体在膜材料中的渗透和分离性能。实验结果表明：随着PFDTES加入量的增大，有机-无机杂化SiO2膜的溶胶平均粒径和膜材料对水的接触角也不断增大，当n（PFDTES）/n（BTESE）=0.25时溶胶平均粒径为3.69nm，膜材料对水的接触角达到了112.0±0.4°。FT-IR和TG结果表明了十七氟癸基修饰的（0.25PFDTES）BTESE膜具有优异的疏水性能，而SEM结果证明了十七氟癸基修饰的（0.25PFDTES）BTESE膜已成功地浸涂到γ-Al2O3/-Al2O3衬体上。气体渗透与分离实验表明，H2在修饰后的有机-无机杂化SiO2膜中的输运遵循微孔扩散机理，在300°C时，H2的渗透率达到9.67×10-7mol·m-2·Pa-1·s-1，H2/CO和H2/CO2的理想分离系数分别达到13.07和5.76，高于Knudsen扩散的H2/CO和H2/CO2的理想分离因子（H2/CO=3.74, H2/CO2=4.69），膜材料表现出良好的分子筛分效应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 氢气分离现状
• 1.2.2 无机膜研究现状
• 1.2.3 二氧化硅膜研究现状
• 1.3 本文论文研究目的
• 1.4 本论文的研究内容
• 2膜的制备与表征'>第2章 十七氟癸基修饰的有机-无机杂化SiO₂膜的制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验设备
• 2.2.3 溶胶-凝胶法的基本原理
• 2膜的制备'>2.2.4 十七氟癸基修饰的有机-无机杂化SiO₂膜的制备
• 2O₃多孔陶瓷和γ-Al₂O₃过渡层的制备'>2.2.5 -Al₂O₃多孔陶瓷和γ-Al₂O₃过渡层的制备
• 2.2.6 表征方法及手段
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 溶胶粒径及分布
• 2膜的接触角测试'>2.3.2 有支撑有机-无机杂化SiO₂膜的接触角测试
• 2膜的热重分析'>2.3.3 无支撑有机-无机杂化SiO₂膜的热重分析
• 2膜的红外分析'>2.3.4 无支撑有机-无机杂化SiO₂膜的红外分析
• 2膜的核磁共振分析'>2.3.5 无支撑有机-无机杂化SiO₂膜的核磁共振分析
• 2膜断面和表面形貌'>2.3.6 有支撑有机-无机杂化SiO₂膜断面和表面形貌
• 2.4 本章小结
• 2膜氢气渗透和分离研究'>第3章 十七氟癸基修饰的有机-无机杂化SiO₂膜氢气渗透和分离研究
• 3.1 引言
• 3.2 气体在多孔材料的渗透机理
• 3.2.1 Knudsen 扩散
• 3.2.2 黏流性
• 3.2.3 表面扩散
• 3.2.4 多层扩散与毛细管凝聚
• 3.2.5 分子筛分效应
• 3.3 气体分离原理
• 3.4 气体渗透性测试方法
• 3.4.1 恒体积变压力法
• 3.4.2 恒压力变体积法
• 3.5 实验
• 3.5.1 样品制备
• 3.5.2 气体渗透实验
• 3.6 结果与讨论
• 3.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢