高分子膜材料在气体分离中的应用研究
摘 要
本研究旨在探索新型高分子膜材料在气体分离中的性能优化与机制解析，为开发高性能气体分离膜提供理论依据和技术支持。通过系统筛选多种高分子材料，采用溶液浇铸法制备了系列聚酰亚胺（PI）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚乙烯基类高分子膜，并引入无机纳米粒子进行复合改性，以提升膜材料的选择性和渗透性。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）等手段对膜结构与性能进行全面表征，结合气体渗透实验考察不同气体在膜内的传输行为。研究发现，经纳米粒子改性的复合膜表现出显著增强的气体分离性能，其中PI/Al2O3复合膜对CO2/N2混合气的选择性达到60以上，远超纯PI膜；PEI/SiO2复合膜则在H2/CH4分离中展现出优异的渗透通量。通过对分离过程的动力学分析，揭示了气体分子在膜内扩散与溶解的微观机制，建立了基于自由体积理论的数学模型，准确预测了不同条件下膜的分离性能。
关键词：气体分离膜；高分子材料；纳米复合改性
Abstract
The purpose of this study is to explore the performance optimization and mechanism analysis of new polymer membrane materials in gas separation, and to provide theoretical basis and technical support for the development of high-performance gas separation membrane. Through systematic screening of a variety of polymer materials, a series of polyimide (PI), polyetherimide (PEI) and polyvinyl polymer membranes were prepared by solution casting method, and inorganic nanoparticles were introduced for composite modification to improve the selectivity and permeability of membrane materials. Using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), thermal weight analysis (TGA) and other means to comprehensively characterized the membrane structure and performance, investigate the transport behavior of different gases in the membrane combined with gas permeability experiments. It is found that the composite film modified by nanoparticles showed significantly enhanced gas separation performance, in which the selectivity of PI / Al2O3 composite film for CO2 / N2 mixture reached more than 60, far more than the pure PI membrane; and PEI / SiO2 composite film showed excellent permeation flux in the separation of H2 / CH4. Through the kinetic analysis of the separation process, the microscopic mechanism of the diffusion and dissolution of gas molecules in the membrane is revealed, and the mathematical model based on the free volume theory accurately predicts the separation performance of membranes under different conditions.
Key Words：Gas separation membrane; polymeric materials; nanocomposite modification
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 高分子膜材料气体分离领域的研究现状 1
1.3 本文研究高分子膜材料气体分离的方法 2
第2章 高分子膜材料的制备与性能表征 4
2.1 高分子膜材料的合成方法 4
2.2 高分子膜材料的结构特征 4
2.3 高分子膜材料的物理化学性质 5
2.4 高分子膜材料的性能测试方法 6
第3章 高分子膜材料在气体分离中的应用原理 8
3.1 气体分离的基本理论 8
3.1.1 气体溶解扩散机制 8
3.1.2 分子筛分效应 8
3.1.3 竞争吸附现象 9
3.1.4 温度压力影响 9
3.2 膜材料对不同气体的选择性 9
3.2.1 氧氮分离特性 9
3.2.2 二氧化碳分离特性 10
3.2.3 氢气分离特性 10
3.2.4 烃类气体分离特性 10
3.3 影响气体分离性能的因素 11
3.3.1 膜厚度的影响 11
3.3.2 孔径分布的影响 11
3.3.3 表面改性的影响 12
3.3.4 操作条件的影响 12
3.4 提高气体分离效率的策略 12
3.4.1 新型膜材料开发 13
3.4.2 复合膜结构设计 13
3.4.3 膜组件优化配置 13
3.4.4 工艺流程改进措施 13
第4章 高分子膜材料在工业气体分离中的应用案例分析 15
4.1 空气分离中的应用 15
4.1.1 氧气富集技术 15
4.1.2 氮气提纯工艺 15
4.1.3 医疗用氧生产 16
4.1.4 冶金行业应用 16
4.2 天然气净化中的应用 16
4.2.1 二氧化碳脱除 16
4.2.2 硫化氢去除 17
4.2.3 水汽分离 17
4.2.4 轻烃回收利用 17
4.3 化工废气处理中的应用 18
4.3.1 有机废气治理 18
4.3.2 废气回收再利用 18
4.3.3 尾气达标排放 19
4.3.4 环境保护效益 19
4.4 氢气回收中的应用 19
4.4.1 制氢过程耦合 20
4.4.2 氢气提纯技术 20
4.4.3 氢能产业发展 20
4.4.4 能源结构调整 21
结 论 22
参考文献 23
致 谢 24
摘 要
本研究旨在探索新型高分子膜材料在气体分离中的性能优化与机制解析，为开发高性能气体分离膜提供理论依据和技术支持。通过系统筛选多种高分子材料，采用溶液浇铸法制备了系列聚酰亚胺（PI）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚乙烯基类高分子膜，并引入无机纳米粒子进行复合改性，以提升膜材料的选择性和渗透性。利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）等手段对膜结构与性能进行全面表征，结合气体渗透实验考察不同气体在膜内的传输行为。研究发现，经纳米粒子改性的复合膜表现出显著增强的气体分离性能，其中PI/Al2O3复合膜对CO2/N2混合气的选择性达到60以上，远超纯PI膜；PEI/SiO2复合膜则在H2/CH4分离中展现出优异的渗透通量。通过对分离过程的动力学分析，揭示了气体分子在膜内扩散与溶解的微观机制，建立了基于自由体积理论的数学模型，准确预测了不同条件下膜的分离性能。
关键词：气体分离膜；高分子材料；纳米复合改性
Abstract
The purpose of this study is to explore the performance optimization and mechanism analysis of new polymer membrane materials in gas separation, and to provide theoretical basis and technical support for the development of high-performance gas separation membrane. Through systematic screening of a variety of polymer materials, a series of polyimide (PI), polyetherimide (PEI) and polyvinyl polymer membranes were prepared by solution casting method, and inorganic nanoparticles were introduced for composite modification to improve the selectivity and permeability of membrane materials. Using scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), thermal weight analysis (TGA) and other means to comprehensively characterized the membrane structure and performance, investigate the transport behavior of different gases in the membrane combined with gas permeability experiments. It is found that the composite film modified by nanoparticles showed significantly enhanced gas separation performance, in which the selectivity of PI / Al2O3 composite film for CO2 / N2 mixture reached more than 60, far more than the pure PI membrane; and PEI / SiO2 composite film showed excellent permeation flux in the separation of H2 / CH4. Through the kinetic analysis of the separation process, the microscopic mechanism of the diffusion and dissolution of gas molecules in the membrane is revealed, and the mathematical model based on the free volume theory accurately predicts the separation performance of membranes under different conditions.
Key Words：Gas separation membrane; polymeric materials; nanocomposite modification
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 高分子膜材料气体分离领域的研究现状 1
1.3 本文研究高分子膜材料气体分离的方法 2
第2章 高分子膜材料的制备与性能表征 4
2.1 高分子膜材料的合成方法 4
2.2 高分子膜材料的结构特征 4
2.3 高分子膜材料的物理化学性质 5
2.4 高分子膜材料的性能测试方法 6
第3章 高分子膜材料在气体分离中的应用原理 8
3.1 气体分离的基本理论 8
3.1.1 气体溶解扩散机制 8
3.1.2 分子筛分效应 8
3.1.3 竞争吸附现象 9
3.1.4 温度压力影响 9
3.2 膜材料对不同气体的选择性 9
3.2.1 氧氮分离特性 9
3.2.2 二氧化碳分离特性 10
3.2.3 氢气分离特性 10
3.2.4 烃类气体分离特性 10
3.3 影响气体分离性能的因素 11
3.3.1 膜厚度的影响 11
3.3.2 孔径分布的影响 11
3.3.3 表面改性的影响 12
3.3.4 操作条件的影响 12
3.4 提高气体分离效率的策略 12
3.4.1 新型膜材料开发 13
3.4.2 复合膜结构设计 13
3.4.3 膜组件优化配置 13
3.4.4 工艺流程改进措施 13
第4章 高分子膜材料在工业气体分离中的应用案例分析 15
4.1 空气分离中的应用 15
4.1.1 氧气富集技术 15
4.1.2 氮气提纯工艺 15
4.1.3 医疗用氧生产 16
4.1.4 冶金行业应用 16
4.2 天然气净化中的应用 16
4.2.1 二氧化碳脱除 16
4.2.2 硫化氢去除 17
4.2.3 水汽分离 17
4.2.4 轻烃回收利用 17
4.3 化工废气处理中的应用 18
4.3.1 有机废气治理 18
4.3.2 废气回收再利用 18
4.3.3 尾气达标排放 19
4.3.4 环境保护效益 19
4.4 氢气回收中的应用 19
4.4.1 制氢过程耦合 20
4.4.2 氢气提纯技术 20
4.4.3 氢能产业发展 20
4.4.4 能源结构调整 21
结 论 22
参考文献 23
致 谢 24
