中空纳米微球的制备及其在CO2分离膜中的应用

摘要

膜分离是碳捕集技术热点之一，开发具有优异性能的膜材料和分离膜是关键。聚合物中空纳米微球是一类具有空心及孔道结构的微球型材料。因为其特殊的中空结构和制备方法的特殊性，使得聚合物中空纳米微球具备许多特殊的用途和优越的性能。为解决传统聚合物膜材料难以同时实现高气体渗透性、高选择性难题，将交联聚合物构建成具有致密壳层的聚合物中空纳米微球，填充于传统聚合物膜中;气体在膜内渗透过程中，传质阻力降低，膜内传质过程得到强化，进而提高CO2渗透分离性能。 首先以四氢呋喃丙烯酸酯和双季戊四醇六丙烯酸酯分别为油相反应单体和交联剂，通过原位聚合法在无表面活性剂微乳液中制备中空纳米微球，脱除溶剂后形成中空微球膜。并采用红外光谱、电子显微镜、动态光散射、差示扫描量热、X射线衍射以及小角X射线散射对制备的中空纳米微球和中空微球膜以及膜材料本征性能进行了物理化学表征，系统考察了膜内纳米空腔对分离膜气体渗透性和分离性的影响。结果表明，制备的中空纳米微球粒径为150±20 nm，中空结构明显，壳层厚度为10-20 nm;制备的中空微球膜较膜材料本征值的渗透性能有显著提升。在35℃、0.2 MPa条件下，中空微球膜的CO2的渗透系数较膜材料本征值增大1.4-5.7倍，且分离系数也有所提升。 其次以聚乙二醇甲醚丙烯酸酯和双季戊四醇六丙烯酸酯分别为水相单体和油相交联剂，通过界面聚合法制备PEO中空纳米微球，脱除溶剂后形成中空微球膜，深入探究了中空微球膜的气体渗透性能与材料本征性能的区别。结果表明，其中50 wt％交联剂中空微球膜提高最为显著，N2由1.06 Barrer增大到4.33Barrer，增大了4.1倍，CO2由43.2 Barrer增大到197 Barrer，增大了4.5倍。并进一步将PEO中空微球填充于相同化学组成聚合物基质中制备一系列共混基质膜，所制备的共混基质膜N2和CO2的渗透系数较纯膜增大2-4倍，并能够保持良好的分离系数。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．2．1溶剂吸收法

1．2．2吸附法

1．2．3低温蒸馏法

1．2．4化学循环燃烧法

1．2．5气体膜分离法

1．3气体分离膜概述

1．3．1膜材料

1．3．2气体膜分离原理

1．3．3气体分离膜材料性能

1．4聚合物中空微球

1．4．1制备方法

1．4．2聚合物中空微球的应用

1．5本文研究内容及意义

第二章原位聚合法制备中空纳米微球及其对气体渗透性的影响

2．1实验原料及设备

2．2甲苯／水／乙醇微乳液的制备

2．2．1三元相图的绘制

2．2．2电导法测定微乳液结构

2．3 DPHA／THFA中空微球的制备

2．4 DPHA／THFA膜材料的制备

2．5表征方法及性能测试

2．5．1红外光谱分析(FTIR)

2．5．6广角X射线衍射(WAXD)

2．5．7小角X射线散射(SAXS)

2．5．8渗透性能测试

2．6结果与讨论

2．6．1微乳液的相行为

2．6．2红外光谱分析

2．6．3中空微球的形貌分析

2．6．4中空微球的粒径分布

2．6．5 DPHA／THFA膜的物理特性

2．6．6膜内空腔对气体渗透性能的影响

2．7本章小结

第三章界面聚合法制备PEO中空纳米微球及其对气体渗透性的影响

3．1实验原料及设备

3．2 DPHA／PEGMEA中空微球的制备

3．3 DPHA／PEGMEA膜材料的制备

3．4 DPHA／PEGMEA中空微球的物理化学结构研究

3．4．1红外光谱分析

3．4．2中空微球的形貌分析

3．4．3中空微球的粒径分布

3．5 DPHA／PEGMEA膜的物理化学性能与结构研究

3．5．1扫描电镜分析

3．5．2差示扫描量热分析

3．5．3广角X射线衍射分析

3．5．4中空微球膜内空腔尺寸分析

3．6 DPHA／PEGMEA膜气体渗透性能表征

3．7本章小结

第四章PEO中空微球杂化膜的制备及其气体渗透性能研究

4．1实验原料及设备

4．2 PEO中空微球杂化膜的制备

4．3杂化膜的表征及性能测试

4．4结果与讨论

4．4．1红外光谱分析

4．4．2杂化膜形貌分析

4．4．3杂化膜的DSC分析

4．4．4杂化膜的X射线衍射分析

4．4．5杂化膜的气体渗透性能

4．5本章小结

第五章结论与展望

4．1结论

4．2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢