膜技術(shù)應(yīng)用在許多氣體分離應(yīng)用，例如氫氣回收，天然氣處理等。與傳統(tǒng)的氣體分離工藝(如吸附，吸收或冷凝)相比，膜技術(shù)提供了更簡單的分離過程。這次我們使用活性炭制成混合基質(zhì)膜，用于在厚薄膜形式的氣體分離經(jīng)由聚合物與活性炭組合制成。活性炭顆粒的平均粒徑為1.5μm，平均孔徑為1.9nm。通過在氯仿中的澆鑄溶液中緩慢溶劑蒸發(fā)制成膜，其具有不同的聚合物與活性炭比。可以生產(chǎn)具有高達(dá)50%活性炭含量的穩(wěn)定膜。

　　活性炭是用于氣體分離過程的優(yōu)質(zhì)材料。所以我們想到使用活性炭為原料來制作混合基質(zhì)膜，這種材料基于聚二甲基硅氧烷或聚甲基硅氧烷與活性炭的薄膜復(fù)合膜制備的。通過使用活性炭，可以提高對高級烴的分離性能。對的二元混合物的選擇性。材料的性能不僅涉及氣體輸送性能，還涉及其他材料特性。通過各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，如下所示。材料性質(zhì)以及氣體傳輸性質(zhì)(例如形態(tài)和熱性質(zhì))與滲透性的相關(guān)性揭示了整體分離性能的有趣特征。

　　活性炭如何制成膜

　　使用活性炭通過溶液澆鑄的方法，使用氯仿作為溶劑來制造。制備具有不同活性炭含量的溶液，同時(shí)保持相同量的聚合物。制備的聚合物溶液的濃度為4wt%。通過溶液流延制備的膜具有0-50%體積的活性炭含量。制備膜的典型程序如下：首先，聚合物干燥的粉末與活性炭顆粒一起溶解分散于氯仿并攪拌2小時(shí)。然后，使用超聲波裝置對溶液進(jìn)行超聲波處理，該裝置不影響聚合物的分子量。在下一步驟中，將溶液直接澆鑄成平整的模具和溶劑蒸發(fā)，用在環(huán)境條件下的恒定氮?dú)饬髦羞M(jìn)行。將干燥的膜用甲醇處理8小時(shí)，通過溶劑交換除去氯仿殘余物。在最后一步中，將活性炭膜在60℃下在真空下干燥24小時(shí)，以完全除去溶劑殘余物。取決于活性炭的量，所獲得的膜的厚度在80至160μm的范圍內(nèi)。

　　使用差示掃描量熱法，來區(qū)分活性炭的摻入量與原始膜之間的差異。圖1表明活性炭與聚合物的一些相互作用。因?yàn)榛钚蕴款w粒未經(jīng)化學(xué)改性(例如，含有官能團(tuán)，疏水或親水改性)，因此聚合物基質(zhì)與活性炭的強(qiáng)鍵合不是預(yù)期。結(jié)果如圖1a所示。在其他情況下，化學(xué)改性的填料的摻入已經(jīng)表現(xiàn)出對聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的效果顯著歸因于化學(xué)鍵氫鍵主要發(fā)生在聚合物和活性炭顆粒之間的聯(lián)系。值得一提的是，隨著活性炭體積含量的增加，玻璃化轉(zhuǎn)變的增加。

　　圖1：原始膜和加入活性炭后的混合基質(zhì)構(gòu)件(a)活性炭體積含量的函數(shù)的玻璃化轉(zhuǎn)變(b)。

　　活性炭制成的滲透膜對氣體運(yùn)輸?shù)臏y試

　　用時(shí)滯法用于評估活性炭對氣體He，H 2，O 2，N 2，CO 2和CH 4的滲透率，擴(kuò)散率和溶解度系數(shù)。填充的活性炭的氣體滲透性比純基質(zhì)的更高并增加作為填料體積分?jǐn)?shù)增加。對于所有氣體的趨勢示于圖2，其中介紹的純基質(zhì)膜的相對導(dǎo)磁率相比于填充活性炭的混合膜作為體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。當(dāng)活性炭含量為50%時(shí)，觀察到所有氣體的滲透性強(qiáng)烈增加。

　　圖2：活性炭膜的滲透率與聚合物膜的滲透率之比作為活性炭體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。

　　正如預(yù)期的活性炭吸附劑，CO 2具有最高的最大負(fù)荷和最快的動(dòng)力學(xué)，其次是甲烷，作為輕質(zhì)烴氣體的一個(gè)例子。永久性氣體氦氣，氫氣，氧氣和氮?dú)舛硷@示出相當(dāng)小的吸附傾向。氧氣和氮?dú)庵�間的差異似乎取決于高的最大氧氣負(fù)荷。相反，與氦相比，在所研究的壓力范圍內(nèi)氫的有利吸附被認(rèn)為是由于更快的動(dòng)力學(xué)。在圖3中，顯示了不同氣體的吸附等溫線。

　　圖3：活性炭在不同氣體在壓力下的濃度和在30℃下的相應(yīng)吸附等溫線。

　　混合基質(zhì)膜向上引入微孔活性炭顆粒為高體積含量以研究活性炭上的傳輸性能，熱性能，和形態(tài)的影響制備。通過熱分析，揭示了活性炭含量對聚合物的影響。觀察到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的小幅增加，表明活性炭很好地?fù)饺刖酆衔锘�質(zhì)中。熱重分析允許以更好的準(zhǔn)確度估計(jì)活性炭含量，這對于氣體傳輸性質(zhì)的結(jié)果的相關(guān)性是重要的。通過掃描電子顯微鏡表征表明活性炭在聚合物基質(zhì)中的良好適應(yīng)性，而活性炭含量的增加導(dǎo)致膜底部的顆粒部分濃縮而不降低膜穩(wěn)定性，因?yàn)樗�是也通過成功的時(shí)滯實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)氯仿用作溶劑時(shí)，兩種組分都非常良好地相容，并且即使當(dāng)填料顆粒具有非常鋒利的邊緣和不均勻的形狀時(shí)，在溶劑蒸發(fā)期間活性炭和玻璃狀聚合物界面上也不會(huì)形成任何顯著的間隙。所有氣體的滲透系數(shù)隨著活性炭含量的增加而增加，而對大多數(shù)氣體對的選擇性保持穩(wěn)定。增加滲透率的效果源于活性炭上氣體的吸附。隨著混合基質(zhì)膜中活性炭含量的增加，對吸附和擴(kuò)散的影響，最終相對滲透率增加。因此，用于研究的氣體對。進(jìn)一步應(yīng)用的前景是制備具有活性炭的混合基質(zhì)膜，所述活性炭結(jié)合到其多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)中，所述物質(zhì)能夠與分離時(shí)的氣體混合物的組分特異性相互作用。

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