【摘要】：氣體分離是清潔能源生產(chǎn)、環(huán)境治理、高純化學(xué)品制造的關(guān)鍵過程之一,但傳統(tǒng)分離技術(shù)大都存在高能耗、高成本、高物耗等問題。近年來,新型分離材料的發(fā)展為節(jié)能環(huán)保高效的分離技術(shù)的開發(fā)提供了新的機(jī)遇。陰離子功能化材料因其強(qiáng)靜電微環(huán)境具有優(yōu)異的分子識別能力,在氣體分離領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的分離性能。本文基于聚離子液體,通過調(diào)節(jié)材料的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)制備了兩類陰離子功能化材料,應(yīng)用于大氣污染物二氧化硫(SO2)的高效捕集和重要工業(yè)原料乙烯(C2H4)乙炔(C2H2)的綠色分離,研究其結(jié)構(gòu)特征,考察分離性能及機(jī)理,為新型分離材料設(shè)計(jì)及其應(yīng)用提供有益參考。傳統(tǒng)的多孔吸附材料擁有大的比表面積,給氣體分子提供豐富的吸附位點(diǎn)。但是其中不具備分子篩分能力的孔道對于目標(biāo)分子和競爭分子都具有吸附作用,從而只能獲得較低的分離選擇性。本文面向sO2高效捕集這一重要技術(shù)需求,通過Gemini型離子液體的自聚合制備了高交聯(lián)無孔的離子凝膠和凝膠微球。該材料對sO2表現(xiàn)出獨(dú)特的選擇性溶脹現(xiàn)象,其致密的聚合網(wǎng)絡(luò)排阻大多數(shù)氣體的表面吸附,而SO2分子利用強(qiáng)溶劑化作用溶脹進(jìn)入聚合物內(nèi)部,展現(xiàn)出優(yōu)異的吸附容量和非常高的分離選擇性。298 K,1 bar時,聚(1,6-二(N,N'-乙烯基咪唑)己烷雙澳鹽)(P(D[VImC6]Br))和聚(1,6-二(N,N'-乙烯基咪唑)己烷雙硫氰酸鹽)(P(D[VImC6][SCN]))的 SO2 吸附容量分別為 498 和 487 mg/g。P(D[VImC6]Br)對SO2/CO2和SO2/CH4的理想選擇性高達(dá)614和1992,是目前已有材料中的最高分離選擇性。紅外光譜和分子模擬等方法表明高交聯(lián)離子凝膠的致密聚合網(wǎng)絡(luò)有效地減弱離子基團(tuán)與SO2分子間的相互作用,從而表現(xiàn)出恰到好處的物理吸附作用。吸附-脫附循環(huán)實(shí)驗(yàn)和混合氣固定床穿透實(shí)驗(yàn)評價了離子凝膠的分離性能。結(jié)果表明高交聯(lián)離子凝膠具有出色的循環(huán)再生性能,且在2000 ppm SO2分離體系中依舊保持出色的分離選擇性,具有潛在工業(yè)應(yīng)用價值。乙炔和乙烯的分離是聚合級乙烯制備過程中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。本文將兩種具有優(yōu)異氣體分離性能的陰離子功能化材料——聚離子液體和陰離子柱撐微孔材料相結(jié)合,通過兩者的協(xié)同作用制備獲得高分子識別能力的膜材料。除此以外,兩者之間的離子-離子相互作用可以有效地增強(qiáng)界面相容性,提高混合基質(zhì)膜的質(zhì)量。在混合基質(zhì)膜制備過程中,系統(tǒng)研究了陰離子柱撐微孔材料合成過程中各因素對晶體粒徑及形貌的影響,以獲得適合膜材料的小尺寸顆粒。結(jié)果表明,對于快速成核的SIFSIX-2-Cu-i晶體適用于封端方法,得到長度為164±66 nm的棒狀晶體。而成核較慢的ZRFSIX-2-Ni-i晶體,采用表面活性劑PVP/CTAC來限制其生長過程,得到粒徑為146±47nm的立方體晶體。掃描電鏡和能譜結(jié)果表明混合基質(zhì)膜中陰離子柱撐微孔材料與聚離子液體基質(zhì)親和性良好,無界面缺陷存在,顆粒均勻分散。將制備的混合基質(zhì)膜應(yīng)用于C2H2/C2H4的分離。混合基質(zhì)膜中填充顆粒含量、聚合物基質(zhì)的離子密度以及操作溫度都會對滲透率和選擇性產(chǎn)生影響。摻雜量為30wt%的SIFSIX-2-Cu-i/P1-1膜的C2H2滲透率為47.1 barrer,是純聚合物膜的2.2倍,選擇性為20.8,比純聚合物膜提高了 38.0%,為最佳摻雜量。聚合物基質(zhì)離子密度越高,選擇性越高。SIFSIX-2-Cu-i/P2-1膜的C2H2/C2H4選擇性高達(dá)112±52.2,并對C2H4表現(xiàn)出明顯的分子篩分作用�；谌芙�-擴(kuò)散模型探究氣體傳質(zhì)機(jī)理的結(jié)果表明陰離子柱撐微孔材料和聚離子液體的協(xié)同作用以及增強(qiáng)的界面相容性有效地提高了膜的分離性能。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ051.893
【圖文】：

ＭＭＭｓ）的概念，隨后Ｋｏｒｏｓ［１９，２（）］也指出混合基質(zhì)膜具有突破現(xiàn)有膜材料局限的逡逑可能性�；旌匣|(zhì)膜是將分離性能優(yōu)異的無機(jī)顆粒與機(jī)械性能良好的聚合物相混逡逑制備得到的（示意圖如圖１．２所示），以期得到的混合膜既擁有無機(jī)顆粒優(yōu)異的逡逑分離性能，同時具有聚合物的可加工性，實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。然而，混合基質(zhì)膜的制逡逑４逡逑

邐．逡逑聚離子液體（ｐ0ｌｙ（ｉ0ｎｉｃ邋ｌｉｑｕｉｄ）ｓ，邋ＰＩＬｓ）是由離子液體自身聚合或是離子液逡逑體與其他單體共聚得到的聚合物Ｍ，如圖１．３所示。在聚合物鏈段中陰陽離子仍逡逑然存在，故其既具有離子液體的上述特性，同時還具備了聚合物的機(jī)械性能，可逡逑加工且耐用，更加適合工業(yè)應(yīng)用。在氣體吸附方向，聚離子液體也表現(xiàn)出不錯的逡逑研究前景。主要的研究策略有兩種：（１）是合成微孔聚合物，微孔提供大的比表逡逑面積并將吸附位點(diǎn)暴露出來，從而實(shí)現(xiàn)大容量吸附；（２）是引入功能性基團(tuán)增強(qiáng)逡逑分子間作用力。但是這兩種策略應(yīng)用在氣體分離上都存在一定的問題。當(dāng)微孔尺逡逑寸大于分子篩分尺寸，孔道不具備擇形作用，而且吸附位點(diǎn)同時增強(qiáng)目標(biāo)分子和逡逑競爭分子，只能得到較低的分離選擇性；而采用增強(qiáng)相互作用力的辦法在提高容逡逑量的同時給材料再生帶來了難度，導(dǎo)致吸附劑單次處理量下降。因此聚離子液體逡

針對特定分子的專一高效分離，Ｘｉｎｇ課題組［６６］提出了“量體裁衣”的策略，逡逑根據(jù)丙炔分子的三維尺寸精確構(gòu)建相適應(yīng)的陰離子柱撐超微孔材料，使得丙炔分逡逑子可以完美地鑲嵌在孔道之中（圖１．６Ａ），且孔道中有序排列的陰離子與丙炔分逡逑子之間相互作用，表現(xiàn)出極強(qiáng)的專一捕集能力，在極低丙炔濃度３０００ｐｐｍ下吸逡逑附容量為１０６ｍｇ／ｇ，而相同條件下丙烯吸附量低于３ｍｇ／ｇ，丙炔／丙烯分離選擇逡逑性超過２５０邋（圖１．６Ｂ），是至今為止分離性能最佳的材料。逡逑Ａ邐Ｂ逡逑３逡逑、}瑁у澹�、傚邋０櫸ｂ治３０００邋７w穡礤澹蓿茫擔(dān)齲村澹蓿茫齲村義�？冬ぎ＂＿邋：忒：忒艺d義稀翦濉埃粒危義喜危у澹掊危義希邋危掊危埃埃板危埃埃卞危板澹埃插危埃埃沖危埃埃村危埃埃靛義希�，逦Ｐ}澹螅螅酰潁邋澹ǎ猓幔潁╁義賢跡保叮ǎ粒模疲裕撓嘔蟮模櫻桑疲櫻桑兀常危櫓幸胰滄饔夢壞�。（n櫻桑疲櫻桑兀常危槎約淄欏⒁胰�、辶x弦蟻�、丙炔、丙烯、丙蜋澳吸附等螌\擼ǎ玻梗稿澹�，邋０－０．０５邋ｂａ}�。辶x希疲椋紓酰潁邋澹保跺澹ǎ粒模疲裕膩澹悖幔歟悖酰歟幔簦澹溴澹茫常齲村澹幔洌螅錚潁穡簦椋錚鑠澹猓椋睿洌椋睿玨澹螅椋簦澹簀澹椋鑠澹簦瑁邋澹櫻桑疲櫻桑兀常危椋澹ǎ攏╁澹裕瑁邋義希幔洌螅錚潁穡簦椋錚鑠澹椋螅錚簦瑁澹潁礤澹錚駑澹茫齲�，邋Ｃ２｝x�，邋Ｃ２｝x矗澹茫常齲�，邋Ｃ３｝x叮澹幔睿溴澹茫常齲稿澹錚鑠澹櫻桑疲櫻桑兀常危殄澹幔翦澹玻梗稿澹隋澹幔睿溴義希穡潁澹螅螅酰潁邋澹錚駑澹埃埃埃靛澹猓幔潁義希保矗沖宥∠┮旃固宸擲脲義隙雜詵腫有巫春統(tǒng)嘰縵嗨頻耐忠旃固宓鵲姆擲

本文編號：2800084