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膜分离一步法制备非对称CO2分离膜
浏览次数:268发布时间:2019-01-15 16:37:57 文章来源:

  现在膜技术已经成为在气体分离上有所应用

   膜技术已经成为在气体分离上有所应用, 膜分离技术现在已经是近年来炽手可热技术的,在污水排放处理等领域大显身手,膜技术制备步骤简单,易于规模化制备,性能较优,在CO2分离领域具有良好的应用前景。

    用一步相分离法,制备以聚醚砜 (PES) 为主体材料,二乙醇胺 (DEA) 为添加剂和氨基载体的膜,用于CO2分离。考察了PES浓度、DEA浓度、膜厚度对CO2/N2分离性能的影响,同时考察了膜性能的长时间稳定性。当涂膜液中DEA/PES的质量比为12/26、刮刀与无纺布的距离为300 μm、进料气压力为0.11 MPa(表压)时,膜的CO2渗透速率可达274 GPU,CO2/N2分离因子可达50。测试温度低于40℃时,DEA/PES膜的CO2渗透速率和CO2/N2分离因子保持稳定。另外,对CO2/N2分离性能较好的DEA/PES膜(质量比为12/27)进行CO2/CH4分离性能测试,在1 MPa(表压)下性能优于商品膜。


CO2是多种能源气体的主要杂质组分,高效脱除CO2是实现化石能源清洁高效利用的关键。同时,CO2还是最主要的温室气体,CO2的过量排放导致全球性极端气候频发,严重威胁地球生命的生存。烟道气是CO2的重要来源(主要成分为CO2和N2)。CO2是天然气(CH4的主要来源)中的主要杂质组分。分离烟道气和天然气中的CO2对缓解当前能源和环境危机具有重要意义。CO2膜分离技术有吸收法、吸附法、膜法等。其中,膜法具有能耗低、无溶剂挥发、占地面积小、放大效应不显著、适用各种处理规模等优点,应用前景广阔。

目前使用较广的CO2分离商品膜是聚酰亚胺(PI)膜(由日本宇部兴产公司和美国杜邦公司开发)和醋酸纤维素(CA)膜(由美国UOP公司开发)。现有商品膜的CO2分离性能不够高,难以满足工业化分离CO2的应用要求。近年来,研究者们开发了大量高性能CO2分离膜,但只有少部分有望用于实际分离过程。原因主要有两部分:第一,很多膜材料难以规模化制备,规模化制膜更难。第二,很多膜难以满足卷制组件所需的力学性能和卷曲能力。

非对称膜最具CO2分离应用前景,具有成本低、容易加工成型、质地柔软、容易密封等优点。非对称膜通常分为可以提供机械强度的多孔支撑和提供分离性能的致密皮层两部分,主要包括相转化膜和复合膜。现有商品膜均为相转化膜,采用非溶剂致相分离法(NIPs)制备,与复合膜相比具有成本低、能耗低、制备方法简单等优点。但其缺点是可供选择的膜材料有限、现有膜材料不能同时具有高透过性和高选择性(也称为Robeson上限)。有研究者利用PI、聚醚酰亚胺(PEI)等聚合物与聚砜(PSf)或聚醚砜(PES)共混制备非对称膜用于CO2分离,然而膜的CO2渗透速率在40 GPU以下,难以进一步提高。复合膜多以超滤膜为支撑层,在其表面通过涂覆等方法复合厚度0.1~1.0 μm的致密分离层以起分离作用。复合膜的优点是支撑层和分离层可以单独调控,易获得高分离性能。然而,复合过程通常要求较高,放大难度较大。因此,人们希望能避免复合过程,仅采用同一材料通过相转化法制备出性能较高的CO2分离膜。

本文采用简单原料和一步相分离方法制备非对称膜,膜的CO2分离性能高于商品膜。涂膜液由PES和二乙醇胺 (DEA) 组成。PES具有良好的化学稳定性、力学性能、耐热性和使用寿命,已实现多种分离膜的规模化制备。DEA作为CO2的载体和添加剂引入膜中,其中的氨基可与CO2发生可逆作用,提高膜的CO2渗透选择能力。DEA的加入也有助于调控膜结构。此外,由于PES较PSf、聚丙烯腈 (PAN) 等其他常见膜材料具有较好的亲水性,因此其可与同样亲水的DEA良好相容。考察了PES浓度、DEA浓度、膜厚度等因素对CO2/N2分离性能的影响,也考察了CO2/N2分离性能最优膜的CO2/CH4分离性能。

聚醚砜(PES)和二乙醇胺(DEA)为原料,采用一步相分离法制备出非对称膜用于CO2分离。DEA的加入一方面提高了膜内氨基载体的含量,另一方面减少了膜内和膜表面的大孔结构,提高了膜的CO2/N2渗透选择性能。提高PES浓度、增加膜厚度、适当增加DEA含量均有助于形成膜表面的致密结构。在40℃以下,该膜的CO2/N2分离性能具有良好的长时间稳定性。此外,该膜也具有良好的CO2/CH4分离性能。  

    综上所述,基于膜分离技术的研究,研发出来的新型膜聚醚砜和二乙醇胺能够良好的处理CO2气体的分离。这一实验说明膜技术在气体分离领域大有可为。