探析高强度煤基管状炭膜的制备及应用

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1、大连理工大学硕士学位论文高强度煤基管状炭膜的制备及应用姓名：张万栋申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：王同华20080601大连理工大学硕士学位论文摘要炭膜是一种新型的多孔无机膜，它是由含碳物质经高温热解制备而成的膜材料，与聚合物膜相比，具有热稳定性高、化学稳定性好、使用寿命长等优点，在各个工艺生产领域都具有广阔的应用前景。目前制备炭膜的前驱体材料成本普遍较高，这在一定程度上限制了其应用，开发一种廉价的炭膜前躯体材料势在必行。煤是一种天然的、结构类似于聚合物分子的碳源，其资源丰富、价格低廉，是一种非常有开发价值的炭膜前驱体材料。我校炭素材料研究室从199

2、5年开始进行煤基炭膜的研究工作，目前已经成功地研究开发出了孔结构均一，具有高通量、高孔隙率的管状炭膜，如以无烟煤为原料，采用羧甲基纤维素(CMC)为粘结剂制备的煤基管状炭膜具有成型效果好，高通量、高孔隙率的特点。然而，其机械强度较差，还无法满足大规模商业化的要求。因此，提高其机械强度，制备出高强度煤基管状炭膜是实现其商业化应用和开发的关键。论文在本研究室已有的研究工作基础上，通过采用烟煤掺混增强及掺入短切炭纤维的方式来改善现有煤基管状炭膜的机械强度，制备出了高强度的煤基管状炭膜。并借助于热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析手段，研究

3、了高强度煤基管状炭膜的结构性能，探讨了烟煤与炭纤维的增强机理。并考察了不同煤种的掺混比例、炭化终温、炭纤维掺混比例等制备工艺条件对煤基管状炭膜机械强度及孔结构性能的影响。结果表明：在无烟煤中引入烟煤及短切炭纤维可明显地改善原有煤基管状炭膜的机械性能。烟煤含量为50％时，炭膜的抗压强度提高了l倍，抗爆强度超过了5MPa，孔隙率略有降低。混入炭纤维后炭膜的抗冲击强度由原来的1．03KJ／m2增加到4．14KJ／m2，炭纤维的加入丰富了煤基炭膜的孔隙结构，烟煤的加入对炭纤维增强煤基炭膜具有辅助作用。论文中将制备的煤基管状炭膜作为支撑体应用于制备气体分离C／C复合膜。

4、分别制备了烟煤与无烟煤掺混的混煤支撑体和纯烟煤支撑体，并研究探讨了适用于作为气体分离炭膜支撑体的孔结构尺寸。以聚醚砜酮为前躯体，采用浸渍涂膜法分别在两种支撑体上涂膜制备气体分离C／C复合膜。结果表明：支撑体的孔结构性能对复合膜的性能有很大的影响，混煤支撑体经四次涂膜后其H2／N2、02／N2、C02／N2的分离系数为23．68、3．93、8．97，而烟煤支撑体经两次涂膜后其H2／N2、OdN2、C02／N2的分离系数为104．70、13．66、21．80，以烟煤为原料可制备出适用于气体分离的复合膜支撑体。关键词：炭膜；煤；炭纤维；制备；气体分离高强度煤基管状炭

5、膜的制备及应用PreparationandApplicationsofHighStrengthCoal—basedTubularCarbonMembranesAbstractCarbonmembranesasnovelporousinorganicmembranesareusuallypreparedbycarbonizationofcarbonaceousmaterials．Carbonmembranescanbeappliedinmanyfieldssuchaschemicalproductionseparation，gasseparation，membr

6、anereactionetc,becauseoftheirthermalandchemicalstabilityinnon-oxidizingatmosphere．Howevermostofcarbonmembraneprecursorsarecommerciallyexpensivewhichmaygreatlylimitthecommercialapplicationofcarbonmembranes．Therefore，itisnecessarytOsearchalowCostprecursortopreparecarbonmembranes．Coalh

7、asseveraladvantagesastheprecursorforcarbonmembranesbecauseofitslowcostandaromaticstructure，whichisdominatedbypolycyclicaswellasmonocyclicaromaticringsystem．Coal-basedtubularcarbonmembraneshavebeenpreparedincarbonresearchlaboratoryofdalianuniversityoftechnologysince1995．ACoal-basedtu

8、bularcarbonmembrane