酚醛樹脂基混合基質(zhì)炭分子篩膜的制備及應(yīng)用.pdf

1、炭分子篩膜是一種新型的無機(jī)膜，具有許多優(yōu)異的性能。目前，為了獲得綜合性能優(yōu)異的氣體分離膜材料，人們的研究重心主要集中在研制合成新型的膜材料上。 本文以熱塑性酚醛樹脂(PFNR)為原料，分別采用有機(jī)聚合物.無機(jī)粒子、聚合物共混以及KOH活化等工藝制備混合基質(zhì)炭分子篩膜，采用了多種表征手段探討了炭分子篩膜微結(jié)構(gòu)的特性和氣體滲透性能，以期提高炭分子篩膜的綜合性能；并將炭分子篩膜應(yīng)用于焦?fàn)t煤氣分離制氫以及作為膜反應(yīng)器應(yīng)用于甲醇水蒸氣重整

2、制氫的研究。 以熱塑性酚醛樹脂為原料，經(jīng)過預(yù)固化、粉碎，然后加入添加劑，成型制備支撐體原膜管；通過在熱塑性酚醛樹脂的乙醇溶液中添加炭分子篩微粒形成有機(jī)聚合物一炭分子篩混合基質(zhì)涂膜液，并用浸涂法在支撐體原膜管上直接涂膜，干燥后經(jīng)一步炭化制得炭分子篩膜。結(jié)果表明在涂膜液中添加炭分子篩有效地改善了涂膜液的成膜環(huán)境，制備的炭分子篩膜表面致密、光滑均勻，炭分子篩均勻地分布于分離膜層之中，并有助于增加炭分子篩膜的層間距，使炭分子篩膜的微孔結(jié)

3、構(gòu)得到進(jìn)一步發(fā)展。氣體滲透實(shí)驗(yàn)表明，炭分子篩膜具有較高的氣體滲透性能和 O<,2>/N<,2>、H<,2>/CH<,4>選擇性；在涂膜液中添加炭分子篩，混合基質(zhì)炭分子篩膜氧氮分離性能有很大的提高，富氧性能遠(yuǎn)突破了Robeson 提出的富氧膜性能上限，并處于具有吸引力的可商業(yè)化膜區(qū)域，具有很好的應(yīng)用開發(fā)前景。 運(yùn)用聚合物共混方法將聚乙二醇(PEG)溶解分散于熱塑性酚醛樹脂的 N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中作為涂膜液進(jìn)行了研究

4、。隨著PEG分子量和在PFNR前驅(qū)體中含量的增加，炭分子篩膜的氣體滲透速率增加，而分離系數(shù)下降。在不同測(cè)試溫度下考察各種純氣體在炭分子篩膜中的滲透性能，結(jié)果表明氫氣的滲透速率隨溫度的變化不明顯，而其它氣體的滲透速率隨測(cè)試溫度的升高而增加。PEG作為在PFNR前驅(qū)體中的造孔劑，通過改變PEG含量和分子量的大小可以調(diào)節(jié)炭分子篩膜的微孔結(jié)構(gòu)；隨著在PFNR 基質(zhì)中 PEG分子量的增加，H<,2>和O<,2>的氣體滲透速率從2.4×10<'-9

5、>和6.4×10<'-11>mol·m<'-2>·s<'-1>·Pa<'-1>提高到8.0×10<'-9>和1.8×10<'-10> mol·m<'-2>·s<'-1>·Pa<'-1>，但H<,2>/N<,2>與O<,2>/N<,2>理想分離因子從471.3和12.8下降到284.6和6.2。 通過精確控制活化工藝條件可制得孔徑分布均勻、氣體滲透性能較高的炭分子篩膜。運(yùn)用KOH活化技術(shù)控制炭分子篩膜的炭化，隨著KOH用量的增加，

6、炭分子篩膜活化程度加深，活化過程中造孔與擴(kuò)孔的過程同時(shí)發(fā)生，使炭分子篩膜具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，增加了氣體的滲透速率，但是炭分子篩膜的理想分離系數(shù)隨著PFNR前驅(qū)體中KOH用量的增加而減小。 將制備的炭分子篩膜用于模擬焦?fàn)t煤氣分離制氫。結(jié)果表明炭分子篩膜滲透?jìng)?cè)H<,2>、CO<,2>的含量為90.6％和7.8％，而CO、CH<,4>和N<,2>都下降到0.5％左右；隨著測(cè)試溫度的升高，雖然炭分子篩膜滲透?jìng)?cè)氫氣的含量下降，但在523

7、K溫度下而CO、CH<,4>和N<,2>都下降到0.5％左右；隨著測(cè)試溫度的升高，雖然炭分子篩膜滲透?jìng)?cè)氫氣含量仍能維持在86％左右，顯示出炭分子篩膜良好的氫氣滲透選擇性。將炭分子篩膜管設(shè)計(jì)成膜反應(yīng)器應(yīng)用于甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)，并與固定床反應(yīng)器進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明溫度升高有利于甲醇轉(zhuǎn)化率的提高，而炭膜反應(yīng)器滲透?jìng)?cè)氫氣選擇性則有輕微下降，CO<,2>選擇性增加；甲醇轉(zhuǎn)化率隨著水醇比升高而增加，但會(huì)影響炭膜反應(yīng)器中炭分子篩膜的滲透性能。在