功能化分子筛/Pebax混合基质膜的制备及CO2/CH4分离性能研究

作     者：赵晓楠 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宝泉;刘伟

授予年度：2021年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：混合基质膜 分子筛 Pebax 分子筛表面改性 CO2/CH4分离 

摘      要：为高效捕集和分离CO,基于膜的气体分离技术因其成本低、环保、操作过程简单等优点得到了广泛的研究与探索。与不同类型的膜相比,由无机填料作为分散相、聚合物作为连续相制备的混合基质膜具有广阔的发展前景,但是聚合物与无机填料的选择对提高气体分离性能是至关重要的。至今,已经有多种聚合物和无机材料用于制备混合基质膜。其中,沸石分子筛是制备混合基质膜最常用的无机材料,聚醚-聚酰胺嵌段共聚物(Pebax)因其具有较高的气体渗透性和CO选择性,被认为是理想的聚合物材料。但是聚合物与沸石分子筛之间相容性差是混合基质膜面临的主要问题。本文通过功能化沸石分子筛表面,提高沸石分子筛与Pebax间的相互作用,改善二者之间的界面相容性,从而有效提高混合基质膜对CO/CH的气体分离性能。通过传统水热合成方法制备了纳米片状的SAPO-34分子筛,使用N-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(3-(2-Aminoethylamino)propyl-dimethoxymethylsilane,APTS)对其表面进行氨基改性,分别将改性前后的SAPO-34分子筛掺入Pebax MH 1657中制备混合基质膜。使用SEM、FTIR、XRD和纳米力学测试对制备的混合基质膜进行分析,发现使用APTS对SAPO-34分子筛进行改性不仅增强了与Pebax基质间的相互作用,显著改善了聚合物/填料界面相容性,而且提高了混合基质膜的机械强度。此外,探究了填料组分、填料掺杂量以及压力对CO/CH气体分离性能的影响。APTS-SAPO-34分子筛表面的氨基基团能增强对CO的吸附能力,从而提高混合基质膜的气体分离性能。在APTS-SAPO-34负载量为8 wt%时,CO的渗透通量约为137.1 Barrer,CO/CH的分离选择性高达34.7,与纯Pebax膜相比,分别提高了26.1%和96%。采用传统水热方法合成了典型棺形形貌的ZSM-5分子筛,使用溴乙酸对其表面进行羧基改性,分别将改性前后的ZSM-5分子筛掺入Pebax MH 1657中制备混合基质膜。使用相同的表征手段对制备的混合基质膜进行分析,结果发现,羧基改性的ZSM-5(ZSM-5-COOH)分子筛与Pebax链间形成了氢键,明显提高了二者的相互作用且增强了混合基质膜的机械强度。此外,探究了填料组分、填料掺杂量以及压力对CO/CH气体分离性能的影响。ZSM-5-COOH分子筛表面的羧基官能团与极性CO分子有很强的相互作用,极大地促进了CO在膜内的传输。在ZSM-5-COOH掺杂量为8 wt%时,CO渗透通量约为139.9 Barrer,CO/CH的分离选择性高达35.1,与纯Pebax膜相比,分别提高了28.7%和98.3%。