中空纤维气体分离膜制备的研究

1、单外皮层PES中空纤维气体分离膜制备的研究 制作人：郑洋洋制作人：郑洋洋什么是PES中空纤维气体分离膜？如何研究PES中空纤维膜？研究PES的成果是什么？那么问题来了，BEA Confidential. | 2BEA Confidential. | 31.PES的前世今生聚醚砜( PES) 具有优良的分离性能及化学和热稳定性以及具有较高的分离性能,可用于工业领域的气体分离,如空气富氧、空气富氮、天然气脱除CO2 、合成气回收H2 等方面。1970 年末,美国研制了聚砜-硅膜分离器,并成功地用于合成氨驰放气回收氢,成为气体膜分离技术获得工业化应用的标志。1980年采用树脂橡胶涂层技术改善不对称膜

2、表层缺陷,在膜材料、分离器结构和应用开发过程等方面取得了很大进展。1990 年以来,高性能膜材料和先进制膜工艺的研究进一步提高了气体膜分离技术和市场竞争力,使其应用面不断扩大。BEA Confidential. | 42.实验 铸膜液 ：PES/NMP/Ethanol 芯 液 ：NMP -H2O 目 的 ：研究不同纺丝参数对单外皮层PES 中空纤维不对称膜分离O2/N2 性能和机械性能的影响。BEA Confidential. | 52.1 实验用高分子材料: 聚醚砜( PES) 为进口分装;溶剂 N-甲基吡咯烷酮( NMP)为化学纯; 乙醇( Ethanol),分析纯; 正己烷( Hexan

3、e),分析纯; 上海国药集团化学试剂有限公司; 水,自制去离子水。Fig . 1Schematic diagram of spun hollow fibre membrane1 - PEI /PES /NM P so lutio n; 2 - Bore flow solutio n; 3 - Dope so lution pump; 4 -Bo re so lutionpump; 5- Spinnere t; 6- Coagulanttank; 7- FibretankPEI和 PE经干燥后,按一定比例均匀溶解于 NM P中,经过滤、静置数天脱泡后,从纺丝头挤出;芯液为溶剂NMP与水混合物,经

4、芯液泵压入中空纤维内腔;从纺丝头挤出的料液,进入凝胶槽内沉淀凝胶,再经过淋洗,最后中空纤维收集在集丝槽内,用水浸泡一定时间,再经处理后凉干待用。2.2 PES中空纤维膜的制备BEA Confidential. | 72.3 PES 中空纤维膜分离性能的测定每一中空纤维膜待测样品,制成4 个组件,每个组件的膜面积约20 cm2。在室温下将组件放入硅橡胶A( 3%硅橡胶,交联剂浓度10%,无催化剂) 和硅橡胶 B( 3 %硅橡胶,交联剂浓度10%,催化剂浓度（5%) 中浸3 5 min ,然后放置 1 3 d 后,在20和0. 5 MPa 条件下,用纯O2和N2 分别测定它们的气体渗透率,J i

5、式中下标i 分别指O2 和N2 ; Qi 为标准状态下气体i的体积流量, /s; P 为渗透压差, Pa; A 为膜面积, cm2; J 为气体渗透率, GPU; 1 GPU =7. 501 cm2Pas 。理想分离系数i/j :式中下标 i 和j 分别指O2 和N2 。APQJii3cm3cm10-10jijijjBEA Confidential. | 82.4 中空纤维气体不对称膜结构及机械性能膜结构采用日本JEOL型JSM-6360L V 扫描电镜( SEM) 表征。3. 研究结果与分析3.1 单外皮层PES 中空纤维不对称膜结构纺丝条件: 芯液组成为 m( NMP) m( H2O) =

6、86 14; 芯液流量0. 15 mL / min; 凝胶浴温度17。指状孔和海绵状的不对称膜指状孔和海绵状的不对称膜制备的聚醚砜( PES) 中空纤维气体分离膜是单外皮层PES 不对称膜2m3.2 芯液浓度( NMP) 对PES 中空纤维不对称膜性能的影响 芯液中NMP 浓度越高,膜通量越大,芯液NMP浓度为86 %时PES 中空纤维气体不对称膜的分离系数最高。纺丝条件: 芯液流量0. 15 mL / min; 凝胶浴温度24。BEA Confidential. | 113.3 不同凝胶温度对PES 中空纤维不对称膜性能的影响凝胶温度越低,膜通量越小,分离性能越大,因而凝胶温度对膜性能的影响

7、较大。同时,凝胶温度越低,单外皮层越致密。因此,适宜凝胶温度为 13 17。BEA Confidential. | 123.4 硅橡胶种类对单外皮层 PES 中空纤维不对称膜性能的影响膜通量和分离系数相差不大,说明单外皮层PES 中空纤维膜性能较稳定。此外,涂硅橡胶 3 4 min 较好。若涂膜时间长( 超过 5min) ,则膜通量太小; 涂膜时间短( 小于3 min),则分离系数增加不大。涂硅橡胶后通量与分离系数和存放时间关系纺丝条件: 芯液组成为 m( NMP) m( H2O)=86 14; 凝胶浴温度 17。3.5 存放时间对PES 中空纤维不对称膜性能的影响涂硅橡胶后的2 d和3 d

8、后选择性(O2/N2)较大, 4 d 后保持稳定。同时,芯液流量 0.15 mL/min 的单外皮层 PES 中空纤维不对称膜性能时间稳定性好。纺丝条件: 芯液组成为 m( NMP) m( H2O)=86 14; 凝胶浴温度17。3.6 单外皮层PES 中空纤维不对称膜性能纺丝条件: 芯液组成为 m( NMP) m( H2O)=86 14; 凝胶浴温度17未涂层中空纤维膜的O2和N2 的通量接近( 理想选择性 0. 92),涂层后中空纤维膜的O2 和N2 的通量有较大的变化。芯液流量0. 15 mL / min和0. 3 mL / min 的膜通量和选择性变化不大,这说明制备的单外皮层PES中

9、空纤维不对称膜性能稳定性好。纺丝条件: 芯液组成为 m( NMP) m( H2O)=86 14; 凝胶浴温度173.7单外皮层PES中空纤维不对称膜性能的机械性能 两种PES中空纤维气体不对称膜的断裂强度和断裂拉伸率与芯液流速有关,芯液流量小的膜断裂拉伸强度和断裂拉伸率较芯液流速大的膜大,它们的杨氏模量值也遵循同样的规律,这也说明芯液流量0. 15 mL / min 的单外皮层PES 中空纤维不对称膜性能较好。BEA Confidential. | 164.结论1.用PES 作膜材料,采用湿法纺丝技术制备了离N2 / O2 中空纤维气体不对称膜,通过N2 / O2 的分离性能和机械性能比较可知, PES 中空纤维膜分离性能与纺丝条件有关。2.当芯液组成为 m( NMP) m( H2O)=86 14 和凝胶温度17时,涂3%硅橡胶3. 5min 并