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文檔簡介
1、近年來,室溫離子液體(RTIL)由于結(jié)構(gòu)的多樣性、物理化學(xué)性質(zhì)的可控性強(qiáng),引起了越來越多的氣體膜研究者的重視。RTIL是由有機(jī)態(tài)的陽離子和有機(jī)或無機(jī)態(tài)的陰離子組成的有機(jī)鹽。由于其熔點(diǎn)通常低于室溫(25℃),因此被稱為室溫離子液體。研究結(jié)果表明:通過設(shè)計(jì)陰、陽離子的結(jié)構(gòu),RTIL可以具備極高的CO2吸附能力和CO2/N2選擇性吸附能力。經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的RTIL形成的支撐液膜(SILM)體現(xiàn)出了杰出的CO2/N2分離性能。
SILM
2、中的離子液體容易被高壓氣體擠出支撐層使得SILM的穩(wěn)定性較差,從而失去了分離效果。研究人員為了提高其機(jī)械性能嘗試將液態(tài)RTIL轉(zhuǎn)化為聚合態(tài)RTIL。然而,在液態(tài)RTIL發(fā)生聚合反應(yīng)后,由于材料的密度提高,導(dǎo)致自由體積顯著下降,氣體滲透性能以及CO2/N2的選擇性要遠(yuǎn)低于液態(tài)RTIL中的選擇性。為了解決這一問題,研究人員將RTIL中共混液態(tài)RTIL。由于混入的液態(tài)RTIL保持了其物理特性,使得共混膜有良好的機(jī)械穩(wěn)定性,從而CO2/N2選擇
3、性以及CO2的滲透性能均得到了很大的提升。
本課題中,為了研究聚合物膜材料的氣體分離性能,基于雙體積壓力衰減法,設(shè)計(jì)并搭建一套可精確測量氣體溶解度的裝置。該裝置可測量不同氣體(He、H2、 N2、 O2、 CH4、CO2、 C2H4、 C2H6、 C3H6、C3H8等)在有機(jī)物,無機(jī)物、非揮發(fā)性液體等材料中的溶解度。設(shè)備的應(yīng)用溫度為室溫-50℃,測量壓力范圍是0-1000 psi(0-66atm)。該設(shè)備采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)
4、,因此具有極高的測量精度(±5%)。在標(biāo)定過程中,采用Virial模型計(jì)算標(biāo)定氣體的活度,并用He作為標(biāo)定氣體,通過改變樣品室的體積并測量樣品室與儲藏室的體積比,可精確計(jì)算出它們的體積。在測量聚合物氣體吸附量過程中,采用壓力衰減法,通過測量不同壓力下,聚合物達(dá)到吸附平衡時(shí)吸附室的壓力衰減,從而計(jì)算得到聚合物的等溫吸附曲線。
此外,為了研究聚合物膜材料的氣體滲透性能,本課題設(shè)計(jì)并搭建一套可精確測量純氣體和混合氣滲透速率以及選擇性
5、的裝置。設(shè)備的應(yīng)用溫度為室溫-50℃,測量壓力范圍是0-750psi(0-50atm)。該設(shè)備采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù),因此具有極高的測量精度。在標(biāo)定過程中,通過稱重法精確標(biāo)定了下游儲氣罐的體積,并通過測量氣體膨脹前、后下游儲氣罐與下游管路的體積比,精確標(biāo)定了下游管路的體積。為了驗(yàn)證該裝置的準(zhǔn)確性,分別測量了不同壓力下,PDMS膜在35℃時(shí)N2、O2及CO2的滲透系數(shù)以及摩爾分?jǐn)?shù)為15/85%的CO2/N2混合氣的滲透系數(shù)及選擇性。測量結(jié)
6、果與文獻(xiàn)中報(bào)道的數(shù)據(jù)吻合良好,驗(yàn)證了該設(shè)備具有極高的準(zhǔn)確性和可靠性。
為了制備具有優(yōu)秀CO2吸附能力及CO2/N2分離能力的聚RTIL膜,本課題中,以乙烯基咪唑?yàn)閱误w,通過自由基聚合合成聚乙烯基咪唑基底,隨后,通過與3-溴丙胺氫溴酸鹽的接枝反應(yīng)向咪唑環(huán)上引入含有氨基的功能化官能團(tuán),最后,通過離子交換反應(yīng)得到含有氨基的poly(RTIL)。對最終產(chǎn)物進(jìn)行FT-IR和1H-NMR結(jié)構(gòu)表征,并通過TGA以及GPC測量膜的各項(xiàng)性能。隨
7、后,通過澆鑄法制得厚度均一的poly(RTIL)膜。結(jié)果表明,本實(shí)驗(yàn)中成功合成并制備含有氨基功能化基團(tuán)的聚室溫離子液體膜,所得產(chǎn)物具有良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性,室溫下為橡膠態(tài)聚合物,并具有較高的分子量,容易成膜。隨后,通過澆鑄法制得厚度均一的聚RTIL膜,使用本課題中搭建的氣體分離設(shè)備測量的所制備的聚RTIL膜的CO2/N2氣體分離性能,為了提高聚合物膜中氨基與CO2的反應(yīng)效率,在聚合物膜上涂覆體積分?jǐn)?shù)比為50%比50%的聚乙二醇(PEG)-
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