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摘 要

在我们的日常的生产中，尾气经常由很多种混合气体组成。这些气体常常很难进行分离，不仅导致环境的污染与生态的恶化，也带来了巨大的经济损失。为了保护环境和节约成本，常常需要进行气体分离。在气体分离领域，由选择性无机填料和聚合物制成的混合基质膜（MMMs）非常受关注。混合基质膜（MMMS）能结合无机相的优点和有机相的优点，因此是提高聚合物膜性能的有效途径。

本研究以聚二甲基硅氧烷（PDMS）和凹凸棒石（ATP）为原料，对尾气中丙烯的回收进行了研究。研究发现，丙烯的渗透性受氮气的存在影响，反之亦然，这是由于渗透组分之间的相互作用。与纯PDMS膜相比，含有5wt%ATP的混合基质膜的丙烯通量和丙烯/氮气选择性分别提高了868%和107%。结果表明，凹凸棒石（ATP）/PDMS混合基质膜是分离丙烯和氮气的一种有前途的复合膜。

关键词：混合基质膜 气体分离 凹凸棒石

Preparation of ATP /PDMS mixed matrix membrane and its gas separation performance

Abstract

In practice, exhaust gas is often a mixture of gases. These gases are often difficult to separate, leading not only to environmental pollution and ecological deterioration, but also to great economic losses. Gas separation is often required to protect the environment and save costs. In the field of gas separation, mixed matrix membranes (MMMs) made of selective inorganic fillers and polymers are very attractive. Mixed matrix membrane (MMMs) is an effective way to improve the performance of polymer membrane by combining the properties of inorganic and organic phases.

In this study, polydimethylsiloxane (PDMS) and attapulgite (ATP) were used as raw materials to study the recovery of propylene from exhaust gas. It is found that the permeability of propylene is affected by the presence of nitrogen, and vice versa, because of the interaction between permeable components. Compared with pure PDMS membranes, propylene flux and propylene/nitrogen selectivity of mixed matrix membranes containing 5wt% ATP increase by 868% and 107% respectively. The results show that attapulgite (ATP) / PDMS mixed matrix membrane is a promising composite membrane for separating propylene and nitrogen.

Key words: mixed matrix membrane; gas separation; attapulgite

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 PDMS简介 1

1.3 ATP简介 2

1.4混合基质膜 3

1.5 聚二甲基硅氧烷与凹凸棒石的常见应用 3

第二章 实验部分 4

2.1 实验设备 4

2.2 材料和制备 4

2.3 表征手段 6

第三章 结果与讨论 7

3.1单组份气体渗透性 7

3.2 凹土静态吸附 9

3.3 BET比表面积测试 10

3.4 傅里叶红外光谱 11

3.5 扫描电镜表征 12

3.6 X射线衍射表征 13

第四章 结论与展望 14

4.1 结论 14

4.2 展望 14

参考文献 16

致 谢 20

第一章 文献综述

1.1 引言

在石化系统中，不论是连续法还是间接法，都需要不同程度地向火炬排放尾气。这些尾气主要由丙烯、氮气及少量乙烯等气体组成。人们越来越重视生产运行的水平，把产品的物耗、能耗的控制作为提高成本运行竞争力的重要手段。因此为了更好的经济效益和环境效益，常常需要进行气体分离与回收。近年来，不仅仅是国外，国内对于用膜来进行气体分离的研究也日益加深。在这个大环境下，国内涌现出越来越多的新型的性能优良的膜分离气体材料。与此同时，膜气体分离技术所带来的经济效益和环境效益也越来越好，并且被广泛应用于化工、制药等领域^[1]。在这样的大环境下，由无机粒子和有机聚合物制成的混合基质膜（MMMs）非常有发展潜力，愈来愈多的人们把目光聚焦在这个方向。聚合物膜由于其资金和操作成本低、操作简便、环保等优点，在氨生产或烃处理中的氢气回收、天然气净化、空气制氮、二氧化碳^[2]处理等气体分离领域异军突起并且广受称赞。但只有少数无机填料能同时增强两种气体对原始聚合物膜的渗透性和选择性，因此我们对此展开了研究。混合基质膜（MMMs）结合无机相和有机相的性质和长处，同时利用无机相的分散性与有机相的连续性，这正是提高聚合物膜性能的有效途径^[3]。提高MMMs分离性能的关键因素包括分散相的固有特性（如大小、多孔性等）和有机相与无机相的界面相容性^[4]。在这项工作中，复合膜由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和凹凸棒石（ATP）的制造，并且利用X射线衍射和红外光谱等进行了表征。总的来说，ATP/PDMS复合膜为从氮气中分离丙烯提供了一个潜在的有前景的替代方案。

1.2 PDMS简介

聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）是一种疏水类的有机硅物料，它具有优异的耐热性、 耐寒性、化学稳定性、疏水性等，并且在食品、建筑等领域中有着广泛的应用^[5]。碳氢化合物通常残留在聚合厂或加油站的尾气中，通过难免造成经济的损失和空气的污染，甚至对人体的健康形成危害，若进行合理分离不仅能改良环境还能获得额外收入^[6]。为了环境和经济效益，这些较重的碳氢化合物应该被回收。在各种油气回收技术中，膜气分离比传统方法具有明显的优势，如操作简单、能源成本效益高、投资低等^[7]。我们可以清晰的发现，正是膜材料的分离性能确定了它回收烃类物质的效率。迄今为止，包括玻璃状聚合物和橡胶状聚合物在内的聚合物膜因其良好的油气渗透性和良好的加工性能而受到前所未有的关心与支持^[8]。由坚硬的不饱和主干和笨重的取代侧基构成的玻璃状聚合物膜，例如聚乙炔和聚降冰片烯，具有非凡的烃渗透性^[9]。然而，众多不足例如原料昂贵、合成条件恶劣、化学稳定性差等，限制了其在实际生产中的应用。

聚二甲基硅氧烷长期以来被认为是一种合适的烃回收候选物，具有较高的烃渗透性和中等的烃选择性（逆向选择）^[10]。虽然在纯气体渗透试验中，聚二甲基硅氧烷膜已经达到了较高的渗透性和理想的选择性，但实际气体混合物（如丙烷/氮气）的性能仍需提高。尤其是碳氢化合物选择性通常会因吸附碳氢化合物时聚合物基质膨胀而严重降低。

1.3 ATP简介

凹凸棒石（ATP），本质上是一种成本低廉的天然粘土，呈现粉末状，因其高可用性在许多领域得到了广泛的应用，如吸收剂、催化剂载体和流变改性剂^[11]等。凹凸棒石的特点是具有介于链状结构和层状结构之间的中间结构，这一结构可以从电镜图像中看出来，凹凸棒石在电镜图像中呈现白色条状，并均匀分散在膜的当中。一凹凸棒石粘结力优异，可塑性也十分良好，是一种性能优异的黏土，其理想的化学分子式为：Mg₅Si₈O₂₀(OH)₂(OH₂)₄·4H₂O^[12]。凹凸棒石的物化性能相比同类物质显得十分卓越。通过观察和查阅文献可以看到，凹凸棒石主要的突出的物化性能有：阳离子可交换性、比表面积（9.6～36m²/g）等^[13]。

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