聚酰亞胺中空纖維膜的制備及其氣體分離特性.pdf

1、溫室效應(yīng)及能源問題已經(jīng)引起全球廣泛關(guān)注，煙道氣中二氧化碳( CO2)的控制排放、天然氣及生物沼氣中CO2的分離等都是亟待解決的混合氣體分離問題。中空纖維分離膜具有能耗低、環(huán)境友好、填充密度高等突出優(yōu)點(diǎn)，對于能源利用和環(huán)境治理都有舉足輕重的作用，已成為最有效的混合氣體分離方法之一。膜材料是膜技術(shù)的核心，聚酰亞胺（polyimide,PI）具有優(yōu)良的機(jī)械性能、熱性能和滲透性能，在眾多膜材料中脫穎而出，有望在氣體分離膜領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為此，

2、本論文在具有分離特性聚酰亞胺的合成、中空纖維膜的紡絲成形及表面涂層等方面開展研究工作，主要內(nèi)容包括：
　　通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引入較大自由體積和促進(jìn)CO2傳質(zhì)的官能團(tuán)，分別改善PI的滲透性和選擇性。本文以六氟二酐（6FDA）為二酐單體，4,4'-二氨基二苯醚（ODA）、2,2-雙[4-（4-氨基苯氧基）苯基]丙烷( BAPP)、2,2-雙[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷（HFBAPP）、4,4'-雙(4-氨基苯氧基)二苯砜（BA

3、PS）為二胺單體在溶劑 N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中合成不同結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺，制備的聚酰亞胺薄膜在常規(guī)有機(jī)溶劑中具有極好的溶解性能，具有較好的力學(xué)強(qiáng)度，密度在1.388~1.427 g/cm3之間，自由體積分率在0.144~0.162之間，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在257 oC~304 oC之間，接觸角在53°~93°之間。其中6FDA-HFBAPP型聚酰亞胺溶解性能最好、自由體積分率最大為0.162、接觸角最大為93°、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度最低為

4、257 oC，是制備中空纖維氣體分離膜的理想材料。
　　以合成的6FDA-HFBAPP型聚酰胺酸溶液為紡絲液，采用干-濕法及后處理工藝制備了具有致密皮層和多孔支撐層的中空纖維膜，研究了紡絲液的性質(zhì)、內(nèi)外凝固浴組成、內(nèi)凝固浴流速、空氣層高度對中空纖維膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，該體系適合采用兩步法紡絲，當(dāng)外凝固浴為純水、內(nèi)凝固組成為VH2O?VNMP=10/90、內(nèi)凝固流速與紡絲液流速之比在0.4~0.6之間、空氣層高度為6 cm

5、時(shí)，制備的中空纖維膜的性能最佳，CO2滲透速率為89 GPU，CH4的滲透速率為75 GPU。
　　為改善所制備的中空纖維膜的分離特性，以制備的聚酰亞胺中空膜為底膜，用 PDMS涂層液對底膜進(jìn)行浸漬涂覆以封堵在干濕法成型過程中致密層產(chǎn)生的缺陷，制備了中空纖維復(fù)合膜。結(jié)果表明，當(dāng)涂層質(zhì)量濃度為5％時(shí)，涂覆的效果最佳，經(jīng)涂覆后CO2的滲透速率為42 GPU, CH4的滲透速率為7.8 GPU，分離系數(shù)為5.4。并采用Henis復(fù)合阻力