论文部分内容阅读
凹凸棒石(Attapulgite，ATP)是一种具有纳米纤维状外貌、独特层链状结构的天然黏土。具有纳米级孔道，孔尺寸约为:3.7(A)×6.0(A)。由于其较高比表面积和孔体积，特别是具有高离子交换容量，因此在吸附性、脱色性和热稳定性等方面具有良好的性能。以此可以推断，ATP在气体吸附分离以及气体膜材料领域具有潜在的应用价值。 近些年，由于科学家在处理大气污染和能源危机方面的研究越来越多，膜分离技术正在蓬勃发展。目前研究较多的是无机膜、聚合物膜、促进传递膜和混合基质膜。本文首先用静态吸附和动态吸附法测试了凹凸棒石的各种气体吸附性能，测出凹凸棒石对气体的理论气体渗透性能，明确气体分离体系。再以橡胶态的聚醚嵌段共聚酰胺(Pebax(R)1657)作为有机基质，凹凸棒石（ATP）作为无机填充粒子，采用共混法制备了一系列的ATP/Peabx(R)1657混合基质膜(MMMs)。考察了ATP在混合基质膜中的含量、膜的厚度、温度压力和水蒸气对膜的微观结构及气体分离性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、DSC、XRD和热重分析(TGA)等表征手段对所制备的混合基质膜进行表征。并将所制备的膜材料用于CO2/N2和CO2/CH4混合物的分离，具体结果如下: (1)凹凸棒石的气体吸附:用静态吸附法测出ATP对各种气体吸附的吸附量，在1 bar，25℃下，CO2在ATP上的吸附量最大为:25.8 cm3/g，H2最小为:0.4 cm3/g。吸附量大小排序为:CO2＞C3H6＞C3H8＞C2H4＞C2H6＞CH4＞N2≈O2＞H2。并用动力学吸附法测出所有气体在ATP上的扩散系数，气体在ATP中的扩散速度大小为:H2＞N2＞CO2≈ O2＞CH4＞C2H4＞C2H6＞C3H6＞C3H8。结果表明ATP对CO2/N2和CO2/H2混合气体的吸附分离性能最好。可以得到ATP的理论气体渗透系数，PCO2=455.8 Barrer，CO2/N2，CO2/CH4和CO2/H2的选择性分别为:11.5，14.2和9.2。 (2) ATP/Pebax1657单层混合基质膜的分离性能:通过XRD和FTIR表征ATP纳米棒和Pebax基质之间的相互作用，并通过SEM检查了MMM的粘附性能。单组份气体渗透测量显示，添加了少量的ATP后，复合膜的分离性能可以将CO2渗透率从56提高到77 Barrer，CO2/N2选择性提高52。此外，当进料压力增加到10 bar时，1.7 wt.％ ATP/Pebax MMM的CO2渗透性和CO2/N2选择性可以进一步提高到104 Barrer和84。甚至在有水蒸气下，ATP/Pebax MMM也能表现出良好的稳定性。 (3) ATP/Pebax1657多层混合基质膜的分离性能:在这项研究中，较薄的ATP-Pebax杂化材料成功地沉积在多孔聚丙烯腈(PAN)载体上以形成复合膜。聚[1-（三甲基甲硅烷基）-1-丙炔](PTMSP)中间层由于其优异的疏水性而在降低ATP-Pebax选择层的厚度方面起关键作用。2wt.％ ATP-Pebax的选择层厚度大约为700 nm，比单层膜的厚度薄20～30倍，多层复合膜的CO2渗透率从2.6显着提高到108 GPU。CO2/N2和CO2/CH4的理想选择性也分别提高了35％和16％。通过广义Maxwell模型验证吸附测试出的ATP渗透性能的正确性。并研究进料压力和渗透温度对单组分和混合气体渗透的影响。