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毕业论文课题相关文献综述
文 献 综 述
随着工业发展,煤、石油和天然气等化石燃料大量使用所产生的CO2约占CO2排放总量的70%[1]。据报道,到2030年,全球CO2排放量将达到400亿t。因此,要控制温室效应,就必须控制燃料气中CO2 的排放。相对于传统的分离方法,膜分离是目前分离CO2的有效途径,寻找可分离CO2的新型膜材料是现在的一个研究热点[2]。
气体膜分离技术是一种绿色分离技术，是指利用具有特殊选择分离性的有机高分子材料或无机材料，制成不同形态结构的膜，在一定驱动力作用下，混合气体因透过膜的传递速率不同而达到分离或密集的目的。由于分离效率高、能耗低、操作简单、无污染等优点，被认为是21世纪最有发展前景的技术之一[3]。目前，气体膜分离技术已经成功应用于氢的分离回收、酸性气体的分离回收、气体脱湿、有机蒸气分离回收等工业领域[4-6]。由于其广泛的用途及极好的市场应用前景，在全球范围受到高度重视。而膜分离技术的核心是膜材料，膜材料是发展膜分离技术的关键。自从20世纪70年代掀起气体分离膜研究的高潮以来，几乎所有现成的、可以成膜的高分子材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚砜(PSF)、醋酸纤维素(CA)、聚碳酸酯(PC)等都在气体分离方面进行了评价，其共同存在的问题是:凡是透气系数大的膜，其选择系数就低;凡是选择系数高的膜，其透气系数就低[7]。因此要想得到两者都比较高的膜材料，必须从合成专用的气体分离膜聚合物着手。近年来，该领域的研究主要集中在开发高通量、高选择性以及热稳定性、化学稳定性等更为理想的新型膜材料、制膜工艺及新的表征方法[8]。聚酰亚胺(PI)以其优良的机械性能、热稳定性和耐化学稳定性，以及对气体良好的选择性，同时结构较易设计和合成，受到膜科学工作者的青睐，广泛应用于气体分离膜的研究中。
聚酰亚胺（PI）是一类主链含酰亚胺环（-CO-NH-CO-）重复单元的芳杂环高分子化合物，其因高强高模、阻燃和耐磨等性质[9]而具有诸多的优点，如优良的电性能、力学性能、热稳定性、热氧化性、化学稳定性和热膨胀系数小等[10]。.目前日本、美国等地对PI气体分离膜都进行了广泛深入地研究,国内近几年也开始起步。现在存在的问题在于聚酰亚胺膜虽然具有很好的选择性,但大多数种类分子链刚性大,透气性差。另一方面,许多类聚酰亚胺材料溶解性能差,无法溶配成溶液以纺制成能实用化的中空纤维膜。针对这些问题可以有以下两条解决的途径。一是先用聚酰胺酸纺丝,然后将膜亚胺化。除前述的高温亚胺化外,还可以采用化学法亚胺化。具体是将聚酰胺酸膜用酸酐和引发剂的混合液在室温下处理数十小时,即可完成亚胺化过程。由于亚胺化过程会引入其它影响膜性能的因素,使过程复杂化,所以给制膜影响因素的考察增加了额外的困难。第二条途径是对聚酰亚胺材料进行化学改性。根据目的不同改性可分为几类,如为改善加工性能用脂肪链、醚键、酯键进行改性;为改善粘合力用砜基、羰基和羟甲基改性;为增加溶解度用氟碳键改性以及为提高柔韧性用有机硅进行多元共聚改性等。这些方法都可以用来改善聚酰亚胺膜的可溶性及透气性。如在PI单体二酐分子中引入醚键,使原来不溶的PI能溶于NMP、DMF及酚类等常用溶剂中。而在二酐中引入(F3C基团后,PI除溶解性有了改善外,其透气性也有了显著增加。目前高分子学科已开始进入分子工程(Molecular Engineering)的时代,其涵义是按照需要在分子水平上实现高分子结构的设计和施工,这给制膜也带来了一个新的契机。对聚酰亚胺气体分离膜来说,也完全可以按照分离体系的要求,在分子水平上设计其单元结构,通过单体二酐和二胺的合成及聚合反应条件的控制,制备出透气性与选择性俱佳的膜材料[11]。
聚酰亚胺(PI)是20世纪60年代以来发展起来的一类主链中具有酰亚胺环结构的高分子材料。尽管PI的制备相对其它材料困难,价格也较高,但它具有良好的机械性能、耐热性和耐溶剂性,因此当在有机溶剂脱水和较高温度下进行的膜分离过程时,PI膜具有独特的优势及很好的工业应用前景[12-13]。浸入凝胶相转换法常用于非对称膜的制备过程,此时,可通过溶剂和非溶剂(凝胶介质)之间的相互交换,最终用于形成具有非对称结构的聚合物膜.凝胶介质性质是影响凝胶速率及膜的断面结构的重要影响因素[15]。
聚合物膜是指两组之间具有选择透过性和特定结构的聚合物介质。聚合物膜的制备方法很多,大体上可以分为非相转变法和相转变法两大类。其中,非相转变法包括烧结法、拉伸法和核径迹蚀刻法等。而被Kesting称为相转变(Phase lnversion)的制膜过程,特别是浸入凝胶(Immersion Precipitation)制膜过程,由于可以制备应用于各种过程的聚合物膜,无疑是聚合物膜的主要制备方法,该过程也一直是研究的焦点。相转化法制膜受到成膜过程中传质热力学和动力学共同的影响，在浸入凝胶过程中,聚合物溶液(即铸膜液)浸入非溶剂凝胶浴中,发生传质交换非溶剂进入铸膜液,溶剂溢出铸膜液,导致铸膜液发生相分离,成为两相:聚合物富相和聚合物贫相。聚合物富相在分相后不久就固化构成膜的主体,贫相则形成所谓的孔。
铸膜液中添加非溶剂的种类和含量会改变溶液组成的热力学性质，在三元相图上可以体现出来，凝固浴中非溶剂的种类及添加量将影响凝固浴中溶剂和非溶剂的传质过程，由于非溶剂物性的差异，对应体现的传质动力学有很大的差异，通过成膜过程中相分离速率来体现传质速率。考察非溶剂带来热力学和动力学差异的这些因素，可以作为预测不同体型制成膜的结构、形貌及分离渗透性的依据，这一因素浸入凝胶法至少涉及聚合物/溶剂/非溶剂三个组分,为适应不同应用过程的要求,又常常需要添加非溶剂添加剂来调整铸膜液的配方,从而得到不同的膜结构。浸入凝胶相转化法是最重要的聚合物膜制备方法之一,研究浸入凝胶过程中聚合物膜的形成机理具有重要意义[16]。
有很多因素对膜结构有较大影响，包括：聚合物的种类；溶剂和非溶剂的种类；刮膜液组成；凝结浴组成；聚合物的凝胶化和结晶化特性；液-液分层区的位置；刮膜液和凝结浴的温度；蒸发时间等，所以进行关于非溶剂对气体分离膜性能和结构的影响的研究是很有必要的。
参考文献
[1] Kuo C , Lindberg C , Phomson D J .Coherence established between a tmospheric carbon dio xide and g lobal temperature [J] .Nature , 1990, 343: 709-714.
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