绿色化学工程(GreenChE)分享 http://blog.sciencenet.cn/u/GreenChE

博文

天津大学姜忠义教授膜与膜过程团队:固有孔高分子膜表面多酚功能化用于高效CO2分离

已有 154 次阅读 2021-7-16 03:50 |个人分类:精选文章|系统分类:论文交流

天津大学姜忠义教授膜与膜过程团队:固有孔高分子膜表面多酚功能化用于高效CO2分离

图文导读

自工业革命以来,能源短缺逐渐成为困扰人类发展的生存难题。发展绿色清洁的生物沼气能够有效解决这一问题。然而,沼气中存在约30%-45%CO2,降低了沼气的利用效率。膜分离技术可以有效脱除沼气中的CO2,提高燃烧热值。为了提高膜分离过程的效率,各种类型的膜材料相继被开发。其中,固有孔高分子(Polymers of Intrinsic Microporosity, PIMs)膜凭借其超高的渗透通量,可以有效减少膜面积,降低分离成本。然而,较低的分离选择性一直是困扰PIMs膜的难题。

天津大学姜忠义教授、吴洪教授课题组以单宁酸(TA)为改性材料,通过简单温和的浸涂方法,对PIM-1膜进行了表面修饰,在提高CH4/CO2选择性的同时,仍保持了较高的渗透通量。文章发表在Green Chemical EngineeringGreenChE),题为“Surface Functionalization of Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs) Membrane by Polyphenol for Efficient CO2 Separation”DOI:10.1016/j.gce.2020.12.003

01.jpg

 文章亮点

1. 制备了PIM-1/TA复合膜应用于高效CH4/CO2分离;

2. 提高了PIM-1膜的CH4/CO2选择性(10.119.0);

3. 优化条件下实现了选择性与渗透性的同时提升。

内容概述

PIM-1/TA复合膜的的制备分为以下三步。首先,采用低温法合成PIM-1高分子。然后,将合成的PIM-1高分子分散在氯仿中形成5wt%的铸膜液,倒入聚四氟乙烯模具干燥得到PIM-1膜;采用1M的盐酸配制2mg/mlpH=8.0TA-Tris浸涂液,将PIM-1膜浸入TA溶液中一定时间,得到PIM-1/TA复合膜。

1显示了膜表面及断面的SEM图。纯PIM-1膜的表面粗糙,在单宁酸溶液中涂覆180min后,膜表面变得平滑,TA涂层厚度约为50nm

02.jpg 


1. 不同涂覆时间下膜的SEM图像,表面(a0min,(b180min;断面(c0min,(d180min。

 

FTIR表征(图2)结果显示,随着涂覆时间的延长,膜表面酚羟基数量增加,有利于CO2的优先吸附。

 03.jpg


2.  不同涂覆时间下膜的FTIR图。

 

对纯PIM-1膜和PIM-1/TA复合膜进行了XPS分析(图3、表1)。由于TA分子中含有大量的酚羟基、醌基等含氧官能团,涂覆后复合膜表面O/C元素比增加。

04.jpg 


3.  PIM-1膜和PIM-1/TA-60min复合膜的(aXPS光谱;(bC1s光谱。

 

1.  PIM-1膜和PIM-1/TA-60min复合膜表面元素组成。

05.jpg


4显示了PIM-1/TA复合膜的气体分离性能。TA分子中大量的含氧极性官能团可与CO2产生偶极-四极矩作用,从而提升了膜的溶解选择性;同时,TA分子的涂覆缩小了膜表面孔径,提升了膜的扩散选择性。上述两方面的共同作用将PIM-1膜的选择性提升了近两倍(10.119.0)。

TA涂层对膜渗透系数的影响主要表现在两方面:一方面,TA涂层提高了CO2在膜表面的溶解度,增大了传质推动力,渗透系数增大;另一方面,随涂覆时间的延长,膜表面TA涂层变厚,增加了CO2的传质阻力,渗透系数减小。两方面的共同作用使复合膜的渗透系数出现先增大后减小的趋势,最高达4532Barrer

06.jpg 


4. 不同涂覆时间下膜的气体分离性能图。

 

结论与展望

本工作采用单宁酸为涂层材料,通过简单温和的浸涂方法,制备了一系列PIM-1/TA复合膜。TA涂层提高了PIM-1膜对CO2的选择性,并在优化条件下,实现了渗透性与选择性的同时提高。这种在高渗透性高分子基膜表面修饰具有CO2亲和性涂层的方法为制备高性能CO2分离膜提供了有效策略。

文章信息

TitleSurface Functionalization of Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs) Membrane by Polyphenol for Efficient CO2 Separation

AuthorsZhong Gao, Yanan Wang, Hong Wu*, Yanxiong Ren, Zheyuan Guo, Xu Liang, Yingzhen Wu, Yutao Liu, Zhongyi Jiang*

DOI:10.1016/j.gce.2020.12.003


09.png

扫描二维码阅读全文

原文链接: https://doi.org/10.1016/j.gce.2020.12.003

通讯作者简介

07.jpg


吴洪 教授、博士生导师,现任职于天津大学化工学院。入选教育部新世纪优秀人才,天津市131创新型人才工程第一层次人选,天津市 131 创新型人才团队负责人,天津市企业重点实验室主任,天津化学化工协同创新中心、教育部绿色合成与转化重点实验室、天津市膜科学与海水淡化技术重点实验室骨干成员。天津大学化学工程专业工学博士,德国斯图加特大学访问学者。主要从事膜材料与膜过程领域的研究工作。在 Nature CommunicationsEnergy & Environmental ScienceAdvanced MaterialsJournal of the American Chemical SocietyAdvanced Functional MaterialsACS NanoChemical Society ReviewsJournal of Membrane Science 等期刊发表SCI论文260余篇,H因子56

 08.jpg


姜忠义 教授、博士生导师,现任职于天津大学化工学院。长江学者讲座教授,国家杰出青年基金获得者,万人计划领军人才,百千万人才国家级人选,英国皇家化学会会士,侯德榜化工科技创新奖获得者,国家重点研发计划首席科学家,科技部创新团队负责人,Journal of Membrane ScienceMembranes、膜科学与技术等10多种国内外期刊编委。主要从事仿生与生物启发膜和膜过程研究,在Nature CommunicationsJournal of the American Chemical SocietyAngewandte Chemie International EditionAdvanced MaterialsEnergy & Environmental ScienceAdvanced Functional MaterialsACS NanoACS CatalysisChemical Society ReviewsJournal of Membrane Science等期刊发表SCI论文600余篇,SCI他引20000余次,H因子80。在膜领域顶级期刊Journal of Membrane Science发表文章160余篇,暂居国际第三位、国内第一位。连续入选中国高被引学者榜单,并入选全球高被引学者榜单。获授权发明专利40项。承担国家重点研发计划、863重大项目课题、国家基金重点项目等国家、省部级项目30余项,作为第一完成人获省部级科技一等奖4项。

期刊简介

Green Chemical EngineeringGreenChE)于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”,2020年9月正式创刊。GreenChE以绿色化工为学科基础,聚焦"绿色",立足"工程" ,注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题,紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

竭诚欢迎各位老师同学积极投稿!

E-mail: gce@ipe.ac.cn

Tel: 86-10-82544856

Web: http://www.keaipublishing.com/gce

微信公众号:GreenChemEng

qrcode_for_gh_41a1c076a147_258.jpg

Twitter:GreenChE

Facebook:Journal Greenche

Facebook讨论组:Green Chemical Engineering Journal

科学网:GreenChE

关注我们,获取最新绿色化学工程资讯。



http://wap.sciencenet.cn/blog-3464012-1295651.html

上一篇:大连理工大学贺高红教授团队综述:微尺度过程强化技术用于高效制备晶体颗粒
下一篇:石河子大学化学化工学院于锋教授课题组:超低比表面积“冰壶催化剂”用于低温NH3-SCR脱硝

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-9-25 17:41

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部