聚电解质CO2分离膜的传递通道构建及分离性能强化

• 作 者: 屈子寒
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 聚电解质膜 离子团簇 CO2传递通道 碳捕集

碳捕集技术是解决能源气体净化和缓解温室效应的关键,膜分离过程因其低能耗、环境友好等优点在CO₂分离领域显示出良好的发展前景。促进传递CO₂分离膜材料因其促进传递载体（基团）与CO₂分子间可发生特异性可逆反应而表现出优异的分离性能,调控促进传递基团在膜内部空间分布可在有机膜内创建高速CO₂传递通道,实现分离性能的进一步强化。本研究旨在开发具有促进传递功能离子团簇的聚电解质膜,通过设计高分子及填充剂的化学结构实现膜内促进传递基团的集中分布,形成离子团簇,同时基于离子团簇结构构建膜内CO₂传递通道。主要研究内容如下。基于离子团簇构建CO₂传递通道及分离性能强化:基于聚电解质材料可发生微相分离的性质,制备具有离子簇网络结构的季铵化聚砜膜。通过改变聚砜高分子的季铵化程度,实现了对膜内离子团簇尺寸大小及连通性的调控,构建了CO₂传递通道。水合离子团簇网络强化了膜内溶解机制,季铵离子对的引入强化了促进传递机制。其中,季铵化程度为45%的季铵化聚砜膜CO₂渗透系数达1109Barrer,CO₂/CH₄选择性达30,突破了2008年Robeson上限。基于POSS诱导的离子团簇构建CO₂传递通道及分离性能强化:采用功能化POSS为模板剂,利用模板诱导-刻蚀法制备了具有离子团簇结构的季铵化聚砜膜。模板剂上的功能基团（-O^-）与高分子上的季铵基团（-N⁺（CH₂CH₃）₃）间产生静电作用,诱导形成离子团簇,强化了膜内溶解机制和促进传递机制,后通过刻蚀去除模板,膜内自由体积分数增大,强化了扩散机制,实现了膜内CO₂传递双功能通道的构建。制备的膜CO₂渗透系数达1206 Barrer,CO₂/CH₄选择性达40,突破了2008年Robeson上限。基于环糊精诱导的离子团簇网络构建CO₂传递通道及分离性能强化:以磺丁基-β-环糊精为形成离子团簇的诱导剂,制备了具有离子团簇网络的季铵化聚砜杂化膜。环糊精中空圆筒两端的磺丁基与季铵化聚砜上的季铵基团间产生静电作用,诱导形成离子团簇网络,同时利用自身桥连相邻两个离子团簇形成离子团簇网络,构建了连续的CO₂传递通道。离子团簇强化了膜内溶解机制和促进传递过程,环糊精中部中空结构有效提高了膜内自由体积分数,强化了扩散过程,实现了溶解-扩散-促进传递机制协同强化。环糊精填充量为0.5%时,膜CO₂渗透系数达1307 Barrer,CO₂/CH₄选择性39,突破了2008年Robeson上限。