探析功能炭膜的设计、制备及其气体分离性能

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1、大连理工大学博士学位论文功能炭膜的设计、制备及其气体分离性能姓名：刘庆岭申请学位级别：博士专业：化学工艺指导教师：邱介山;王同华20080901大连理工大学博士学位论文摘要膜分离技术作为二十世纪发展起来的一种多学科交叉的新兴分离技术，已广泛应用工业生产的各个领域。尤其是气体分离膜在清洁能源(氢‘ri‘g)的开发利用、温室气体C02的捕集、分离及回收利用、天然气的纯化以及空气分离等诸多方面有广阔的应用前景。炭分子筛膜(简称“炭膜”)是一种新颖的具有分子筛分功能的炭基膜材料，因具有较高的气体分离选择性、良好的热和化学稳定性，引起了各国科学家的极大关注和研

2、究热情。但目前炭膜的气体渗透性较低，并仍然存在着气体分离膜难以解决的难题即气体的分离选择性与渗透性之间的矛盾关系。如何突破这一矛盾关系，制备出高渗透通量、高分离选择性的气体分离炭膜，是实现炭膜大规模产业化应用的关键与前提。从材料的结构设计出发，通过在炭膜前驱体前体中引入纳米尺度的功能基团，利用纳米粒子的界面和尺度效应，在微介观层面上合理设计炭膜前驱体的微结构与组成；调控炭膜的极微孔尺度与分布；赋予炭膜功能化：提高炭膜的气体渗透通量：实现高渗透通量、高选择性的新型功能炭膜的可控制备：是解决气体的分离选择性与渗透性之间的矛盾关系，实现炭膜产业化应用的重要

3、途径。基于上述思路与构想，本论文以制备具有高渗透通量、高分离选择性的新型气体分离功能炭膜为研究目标，在炭膜前驱体的结构设计、制各方法以及炭膜的气体分离机理，功能基团的作用机制等方面进行了有益研究探索。取得了如下的创新研究成果：以无机纳米氧化物粒子(Si02，Ti02)为功能基团，采用“溶胶一凝胶”技术制备了纳米氧化物／炭功能膜(第三章)。利用无机粒子间的孔道以及无机粒子与炭母体间产生的微相分离所形成的超微孑L，增加气体分子在炭膜中渗透、扩散通道，提高炭膜对气体的渗透能力。结果表明：纳米氧化物粒子及其无机网络结构增强了膜的气体渗透性能，所制备的Ti02

4、杂化炭膜对单组分02．渗透系数为520．30Barter,02／N2分离系数达到8．4。该类材料的成功制备为发展新一代的功能炭膜材料提供了新思路。尽管无机纳米氧化物的引入明显地提高了炭膜的气体渗透能力，但并没有很好的改善气体的渗透性与分离选择性的矛盾关系，其原因是无机纳米氧化物不属多孔材料，纳米粒子本身无法提供气体的渗透通道。为此，在第四章中，我们以具有规则、有序孔道结构的纳米沸石分子筛(4A、ZSM．5、T)为功能基团，成功地设计制备出系列沸石分子筛／炭杂化功能炭膜。利用其发达有序的微孔通道及纳米粒子与炭母体间所形成的界面间隙(超微孔结构)，实现气

5、体在炭膜中的快速渗透，提高炭膜的气体渗透性。结果证明：沸石分子筛的引入，在保持较高的气体分离选择性的条件下，大幅度提高了炭膜的气体渗透性；并发现沸石分子筛的种类、含量、粒度以及炭化工艺条件对功能炭膜的气功能炭膜的设计、制备及其气体分离性能体分离性能有决定性影响。经工艺条件的优化设计，以纳米级ZSM一5为功能基团制备的ZSM．5杂化炭膜，对02的渗透系数达到671．23Barrer，02／N2分离系数达11．4。并实现了在温和可控的条件下，通过控制ZSM．5的含量、粒度及炭化工艺条件来调控炭膜的极微孔尺度和分布，制备高渗透通量、高分离选择性的功能炭膜。

6、为了提高炭膜对特定气体分子的“分子识别”能力及渗透选择性能，实现其对气体混合物的有效分离，本论文试图在炭膜中引入了一些具有特殊作用的功能基团，以增强特定气体分子在炭膜中的渗透、扩散能力。如为了提高cch分子在炭膜中的渗透、扩散能力，选用对C02分子具有较强的吸附、扩散能力的T型分子筛为功能基团，成功地制各了T／C功能炭膜。结果表明：分子筛的晶体粒度和形态对所制备的T／C功能膜的气体分离性能有很大的影响，采用小晶体粒度的T型沸石分子筛制备的T／C功能膜对C02／CH4混合气中C02的渗透系数达到l532Barrer，C02／CH4分离系数达到l79，功

7、能炭膜的气体分离系数可以通过调整分子筛的晶体粒度和形态来控制。为了进一步的提高气体在功能炭膜中的渗透、扩散速率，我们对引入的功能基团进行了“扩孔”，设计并制备以有序介孔材料为功能基团的SBA·15／C和MCM一48／C功能炭膜，在炭膜母体中形成“介孔．微孔”复合孔结构体系。利用气体分子在介孔材料孔道中的快速传输作用，增加气体在炭膜中的渗透性能(第五章)。研究表明：有序介孔材料提供的宽阔、畅通的孔道体系，可以实现对小气体分子的快速扩散。并发现引入具有三维孔道体系的MCM．48功能炭膜对气体分子的输送能力要明显高于引入二维孔道体系的SBA．15功能炭膜，

8、MCM．48／C功能膜对H2，C02，02的平均渗透系数分别可达到3838．22，2508．01，527．1