小分子胺改性 co 2 分离膜的研制

小分子胺改性 CO2 分离膜的研制

本科生：马子健

指导教师：王志教授

2012 年 6 月

Tianjin University2

主要内容

2. 利用含苯环小分子胺对 PVAm 改性的探索

1. 文献综述

3. PVAm- 醇胺 /PS 复合膜的制备及性能研究

4. 结论

Tianjin University3

文献综述研究背景

温室效应已成为影响全球环境的主要问题之一， CO2 的排放对于温室效应贡献最大， CO2 的分离与捕集意义重大

气体膜分离法

设备体积小固定投资少环境友好

CO2 气体分离膜具有广阔的发展前景

Tianjin University4

文献综述固定载体膜所面临的问题及解决思路

膜内载体含量低高 CO2 分压下

膜选择性能不高

两类有机小分子胺进行改性

增强膜溶解 - 扩散选择性和反应 - 扩散选择性

问题得到解决

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

200

400

600

800

1000 m

甲氧/m

PVAm in coating solution: 2.429

m 苯二胺

/mPVAm

in coating solution: 1.915

m 苯胺/m


CO

2 p

erm

ean

ce (

GP

U)

Feed gas pressure/MPa0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

0

2

4

6

8

10

12

14 m 甲氧/m


m 苯二胺

/mPVAm


m 苯胺/m


N2

per

mea

nce

(G

PU

)

Feed gas pressure/MPa

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

100

200

300

400

500 m

甲氧/m


m 苯二胺

/mPVAm


m 苯胺/m


CO

2/N

2 se

lect

ivit

y

Feed gas pressure/MPa Tianjin University5

利用含苯环小分子胺对 PVAm 改性的探索苯环胺种类对 PVAm- 苯环胺复合膜渗透选择性能的影响

湿涂层厚度： 50µm

20vol%CO2,80vol%N2

Tianjin University6

PVAm- 醇胺 /PS 复合膜的性能研究醇胺交联 PVAm 原理

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800

PVAm-3-氨基丙醇

PVAm-异丙醇胺

PVAm

Wavenumber( cm-1)

Tra

ns

mit

tan

ce

(%)

PVAm- 醇胺均质膜与 PVAm 均质膜的红外光谱图

结合态 OH 伸缩振动峰（ 3450-3200cm-1 ）游离态 OH 伸缩振动峰（ 3700-3500cm-

1 ） C=O 特征峰（ 1660cm-1 ），

Tianjin University7

PVAm- 醇胺 /PS 复合膜的性能研究不同交联剂改性 PVAm/PS 复合膜渗透选择性能

比较

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

200

400

600

800

1000

1200

1400 m 异丙醇胺/m


m3- 氨基丙醇

/mPVAm


CO

2 p

erm

ean

ce (

GP

U)


0

5

10

15

20

m 异丙醇胺/m


m3- 氨基丙醇

/mPVAm


N2

per

mea

nce

(G

PU

)


0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

100

200

300

400

500

600

700 m

异丙醇胺/m


m3- 氨基丙醇

/mPVAm


CO

2/N

2 se

lect

ivit

y



20vol%CO2,80vol%N2

Tianjin University8


比较

涂膜液组成涂膜液的mAgent/mPVAm

均质膜的mAgent/mPVAm

干燥保留度DRD

引入膜内载体浓度10-3 mol carriers/g

PVAm

0.02g/mlPVAm0.0266g/ml异丙醇胺

1.330 1.317 99.0% 17.5

0.02g/ml PVAm0.0266g/ml3- 氨基丙醇

1.330 1.317 99.0% 17.5

PVAm- 醇胺涂膜液和 PVAm- 醇胺均质膜中的 mAgent/mPVAm

0

40

80

P VAm -3-氨基丙醇

PVAm-异丙醇胺

icry

sta

llin

ity

am

pli

tud

e %

Tianjin University9


比较不同醇胺对改性均质膜结晶度变幅的影响

3- 氨基丙醇 > 异丙醇胺

结晶度和分子结构是导致不同醇胺交联改性效果差异的原因

Tianjin University10

PVAm- 醇胺 /PS 复合膜的性能研究异丙醇胺共混含量对复合膜渗透选择性能的影响

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

400

800

1200

1600

2000 m

异丙醇胺/m


m 异丙醇胺/m


m 异丙醇胺/m


CO

2 per

mea

nce

(G

PU

)


0

10

20

30

40

50

60

m 异丙醇胺 /mPVAm


m 异丙醇胺/m


m 异丙醇胺/m


N2 p

erm

ean

ce (

GP

U)

Feed gas pressure/M Pa

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

100

200

300

400

500 m

异丙醇胺/m


m 异丙醇胺/m


m 异丙醇胺/m


CO

2/N

2 se

lect

ivit

y



20vol%CO2,80vol%N2



涂膜液的m 异丙醇胺 /mPVAm

均质膜的m 异丙醇胺 /mPVAm

干燥保留度DRD

引入膜内载体浓度10-3 mol

carriers/g PVAm

0.02g/ml PVAm0.0133g/ml

异丙醇胺0.665 0.661 99.4% 8.81


异丙醇胺1.330 1.317 99.0% 17.5


异丙醇胺5.320 5.110 96.0% 68.0

PVAm- 异丙醇胺涂膜液和 PVAm- 异丙醇胺均质膜中的 m 异丙醇胺 /mPVAm



0.00 1.33 2.66 3.99 5.320

40

80

m异丙醇胺 /mPVAm

icry

stal

lin

ity

amp

litu

de

%

m 异丙醇胺 /mPVAm 对改性均质膜结晶度变幅的影响


PVAm- 醇胺 /PS 复合膜的性能研究3- 氨基丙醇共混含量对复合膜渗透选择性能的影响


20vol%CO2,80vol%N2

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

200

400

600

800

1000

1200

1400 m3-氨基丙醇

/mPvAm

in coating solution:1.330

m3-氨基丙醇/mPvAm


m3-氨基丙醇/mPvAm


CO

2 p

erm

eanc

e (G

PU

)


0

5

10

15

20 m

3- 氨基丙醇/m

PvAm in coating solu tion :1.330

m3- 氨基丙醇

/mPvAm

in coating solu tion :0.665

m3- 氨基丙醇

/mPvAm

in coating solu tion :2.660

N2 p

erm

ean

ce (

GP

U)


0.0 0.5 1.0 1.5 2.00

100

200

300

400 m

3-氨基丙醇/m

PvAm in coating solution:1.330

m3-氨基丙醇

/mPvAm


m3-氨基丙醇

/mPvAm


CO

2/N

2 se

lect

ivit

y




涂膜液组成涂膜液的mAgent/mPVAm

均质膜的mAgent/mPVAm

干燥保留度DRD

引入膜内载体浓度10-3 mol

carriers/g PVAm

0.02g/ml PVAm0.0133g/ml 3- 氨基丙醇

0.665 0.654 98.3% 8.71


1.330 1.317 99.0% 17.5


2.660 2.600 97.7% 34.6

PVAm-3- 氨基丙醇涂膜液和 PVAm- 醇胺均质膜中的 mAgent/mPVAm



0.000 0.665 1.330 1.995 2.6600

40

80

m3- 氨基丙醇 /mPVAm

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e %

m3- 氨基丙醇 /mPVAm 对改性均质膜结晶度变幅的影响


结论

本文针对固定载体膜存在的高压下选择性能不高的问题，通过引入氨基、羟基、苯环等极性基团增强膜对CO2 的溶解性和亲和性，同时增加膜内载体含量，从而增强膜的溶解 - 扩散选择性和反应 - 扩散选择性，使膜的选择性能得到提高。分别用含苯环胺、异丙醇胺和 3- 氨基丙醇对 PVAm 进行改性，然后利用 CO2/N2 混合气考察复合膜的 CO2/N2 渗透选择性能。改性后的复合膜在高压下体现出较好的选择性能，其中 PVAm- 苯二胺 /PS

复合膜在进料压力为 2.0MPa 时分离因子达到 160 以上。

小分子胺改性 co 2 分离膜的研制

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