PEBA/氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备及CO2分离性能研究

• 作者: 周毅 王永洪 张新儒 李晋平
• 来源期刊: 化工学报
• 关键词: 混合基质膜 活性炭 CO2捕集 烟道气 聚醚嵌段酰胺
• 年，卷（期）: 2021,（10）
• 所属期刊栏目: 分离工程
• 页码范围: 5237-5246
• 页数: 9页
• 分类号: TQ028.8
• 语种: 中文
• DOI: 10.11949/0438-1157.20210563

摘要

为了获得高性能的混合基质膜，有效捕集烟道气中的CO2，设计了对CO2有优异的扩散选择性和吸附选择性的氮硫共掺杂多孔碳球添加剂，实现了烟道气中CO2/N2的高效分离。选用表面含氧基团丰富的葡萄糖作为碳源，硫脲作为氮源和硫源，通过水热法制备了氮硫共掺杂碳球(NSC)，并用KOH活化，获得了具有多孔结构的氮硫共掺杂碳球(NSPC)，再加入聚醚嵌段酰胺(PEBA)中制备出PEBA/NSPC混合基质膜。采用FTIR、XRD和BET表征了材料的化学结构和孔结构，借助力学性能表征了膜的两相界面相容性。系统研究了PEBA/NSPC混合基质膜中葡萄糖与硫脲的质量比、NSC和KOH的质量比、NSPC的添加量、操作压力、操作温度，以及模拟烟道气条件对膜CO2渗透性、CO2/N2选择性的影响。结果表明：NSPC材料成功实现了氮、硫元素的共掺杂，而且具有较好的孔结构。在操作温度25℃、操作压力0.2MPa的条件下，混合基质膜中NSPC添加量为3%(质量)时气体分离性能最优，CO2渗透系数和CO2/N2选择性分别为589Barrer和64，相比纯PEBA膜分别提高了244%和139%。这是因为多孔碳球的微孔结构显著提高了CO2的扩散选择性，同时氮、硫元素的掺杂因为酸碱相互作用和良好亲和性有效提高了CO2的吸附选择性。稳定性实验表明，PEBA/NSPC混合基质膜在360h连续运行过程中气体分离性能稳定，具有较好的工业应用前景。