聚酰亚胺和金属有机框架材料Cu3（BTC）2混合中空纤维膜及其气体吸附分离研究

论文摘要

随着近年来“温室效应”、大气污染等问题的日益凸显,气体的分离方法愈来愈受到全球性的关注。采用膜技术进行气体分离已经成为目前最有效的方法之一,其关键因素在于高效分离膜的研究与开发。本研究以金属有机框架材料为掺杂体,聚酰亚胺为母体材料,合成了复合中空纤维膜,并考察了多种气体的分离效果。本文合成了金属有机框架材料Cu3（BTC）2,采用X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、投射电镜（TEM）等分析技术表征了其结构和形貌,用氮气吸附脱附等温曲线计算材料的比表面积和孔径分布和孔容大小,结果表明Cu3（BTC）2具有高比表面积（1396m2g-1）,对CO2具有较强的吸附能力。将Cu3（BTC）2混合掺杂于聚酰亚胺中,通过原了力显微镜（AFM）考察了其均匀分散、合成致密平板膜的条件。采用干/湿纺法成功制得PI-Cu3（BTC）2复合中空纤维膜。考察了纺丝液配比、Cu3（BTC）2颗粒度、纺丝温度、压力等条件、酰胺化程序控温等对中空纤维膜的影响。PI-Cu3（BTC）2复合中空纤维膜为非对称膜,其横截面的SEM图显示该膜由致密表面层、指状孔结构层和海绵状结构层构成。Cu3（BTC）2颗粒均匀地分散在致密表面层和指状孔结构中。考察了不同纺丝工艺及不同后处理程序所得PI-Cu3（BTC）2复合中空纤维膜对气体通量及分离效率的影响,确定达到最佳分离效率的纺丝工艺及后处理程序。研究了PI-Cu3（BTC）2复合中空纤维膜对氢气、二氧化碳、氧气、氮气和甲烷气体的透过率,与气体的动力学直径大小顺序一致,气体通量为氢气>二氧化碳>氧气>氮气>甲烷。随着Cu3（BTC）2含量增加,氢气的渗透通量增加,而二氧化碳,氧气,氮气和甲烷渗透通量减少。因此对H2气体的选择性均随Cu3（BTC）2含量的增加而显著增加。在Cu3（BTC）26wt%的复合中空纤维膜中,H2渗透性比纯聚酰亚胺中空纤维膜增长了45%,而理论选择性增加了2-3倍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 金属有机框架材料
• 1.1.1 金属有机框架的合成机理及方法
• 1.1.2 金属有机框架合成的影响因素
• 1.1.3 金属有机框架的性能和应用
• 1.2 聚酰亚胺
• 1.2.1 聚酰亚胺的性能
• 1.2.2 聚酰亚胺的应用
• 1.3 中空纤维混合膜
• 1.3.1 膜分离过程类型
• 1.3.2 中空纤维膜的制备方法及原理
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 金属有机框架的合成
• 2.1 引言
• 2.2 金属有机框架的合成
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 合成方法
• 2.2.3 表征方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 结果与讨论
• 2.4 本章小结
• 第3章 聚酰亚胺的合成及聚酰亚胺/金属有机框架混合特性
• 3.1 引言
• 3.2 聚酰亚胺的合成
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 合成方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PI的检测
• 3.3.2 PI旋涂膜的特性
• 3（BTC）₂旋涂膜的特性'>3.3.3 PI-Cu₃（BTC）₂旋涂膜的特性
• 3.4 本章小结
• 3（BTC）₂中空纤维膜的纺制和结构特性'>第4章 PI-CU₃（BTC）₂中空纤维膜的纺制和结构特性
• 4.1 引言
• 4.2 中空纤维膜的纺制
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 合成方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 中空纤维膜的结构特性
• 4.3.2 混合均匀度对中空纤维膜性能的影响
• 4.3.3 凝固条件对中空纤维膜形态结构的影响
• 4.3.4 制膜液黏度对中空纤维膜形态结构的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 中空纤维膜对气体的吸附与分离
• 5.1 引言
• 5.2 中空纤维膜对气体分离的测定方法及计算公式
• 5.2.1 中空纤维膜对气体分离的测定方法
• 5.2.2 中空纤维膜对气体分离的计算公式
• 5.3 结果与讨论
• 3（BTC）₂中空纤维膜对CO₂的吸附特性'>5.3.1 PI-Cu₃（BTC）₂中空纤维膜对CO₂的吸附特性
• 3（BTC）₂中空纤维膜膜厚对CO₂通量的影响'>5.3.2 PI-Cu₃（BTC）₂中空纤维膜膜厚对CO₂通量的影响
• 3（BTC）₂中空纤维膜酰胺化温度对于N₂通量的影响'>5.3.3 PI-Cu₃（BTC）₂中空纤维膜酰胺化温度对于N₂通量的影响
• 3（BTC）₂中空纤维膜对于CO₂/N₂的选择性'>5.3.4 PI-Cu₃（BTC）₂中空纤维膜对于CO₂/N₂的选择性
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 学习期间发表论文情况
• 附录