二维纳米片用于快速高效膜法气体分离

膜法气体分离作为一类低能耗先进分离技术, 在化工分离中具有广阔的应用前景. 然而商业气体分离膜在实际应用过程中存在选择性和渗透性此消彼长的问题. 以二维纳米片材料为膜构筑基元, 有望突破这一瓶颈. 最具代表性的二维纳米片膜材料当属石墨烯及其衍生物、 二维沸石分子筛、 层状双金属氢氧化物、 二维过渡金属硫化物、 Mxene、 二维共价有机骨架和金属有机骨架材料. 本文对这些二维材料在超薄气体分离膜领域的成果与进展进行介绍, 展现了各类材料在实际分离应用过程中的优势及弊端, 探讨了二维纳米片膜材料在气体分离领域的挑战与发展前景.     

气体分离膜研究进展

全面综述了近几年气体分离膜研究的最新进展,主要包括气体分离膜材料、制膜方法、表征方法三个方面。     

二维材料及其量子点在分离科学领域的研究进展

二维材料是一种新型的分离材料,具有原子尺寸、机械强度优异、比表面积大、表面化学丰富以及 物理、化学稳定性良好等特性,引起了分离科学领域研究人员的广泛关注,其中以石墨烯为典型代表。随着 对石墨烯材料的广泛研究,相继发展了二维过渡金属硫化物（TMDs）、层状双氢氧化物（LDHs）、金属有机框 架（MOFs）、共价有机骨架（COFs）、二维过渡金属碳化物或碳氮化物（MXene）、六方氮化硼（h-BN）等多种新 兴二维材料。该文介绍并讨论了二维材料及其量子点的特点及应用,重点介绍了二维材料及其量子点在膜分 离、固相萃取/固相微萃取、液相色谱、气相色谱、毛细管电色谱等分离科学领域中的应用。此外,还探讨了 二维材料在分离科学领域中面临的挑战及应用前景。     

二维材料用于渗透能转换的研究进展

在河水与海水的交界处实现渗透能提取与捕获是解决未来能源危机的重要方式之一. 渗透能因为储量大, 容易获取以及绿色可持续的优势受到广泛关注. 反向电渗析技术是一种能够有效捕获渗透能的方法之一, 目前已经得到了深入的研究与发展. 离子交换膜是反向电渗析技术转换渗透能的关键组件, 其性能的优异程度决定能量转换效率的高低. 常见的膜材料主要是高分子聚合物及其改性化合物, 最近一些二维材料如石墨烯、 氧化石墨烯、 二硫化钼、 各种框架材料及其改性复合物因优异的选择性离子传输、 纳米级通道、 丰富的表面功能基团以及可修饰性成为捕获渗透能的重要膜材料. 本文综合评述了二维材料作为离子传输通道的类型以及相应的传输机理; 例举了二维材料及其复合物的设计方案和在渗透能转换方面的具体应用; 最后提出了目前二维材料在渗透能转换领域中面临的挑战以及未来的发展方向.     

气体分离膜成膜技术及成膜机理的研究进展

介绍了气体分离膜的发展历史，从７０年代初期反渗透膜干燥技术获得气体分离膜，８０年代出现的“阻力型”“复合型”到９０年代发明的致密皮层非对称气体分离膜，着重介绍了成膜液相转化过程中发生微相分离的成膜机理，最后，提出现行成膜技术的不足及成膜机理的研究方向。     

微孔PI气体分离膜的研究进展

自具微孔材料(PIMs)由于自身刚性分子链的扭曲折叠等会产生高比表面积的微孔结构,相应的膜材料具有优异的气体分离性能。将刚性扭曲的结构单元引入到聚酰亚胺(PI)主链中就得到自具微孔PI。微孔型PI是近年来发展的一种新型PI,其微孔结构使得PI膜的气体分离性能得到很大提升,其中气体渗透系数的提升尤为显著,且保持了传统PI良好的热稳定性、化学稳定性及高力学强度等性质。本文重点介绍了微孔PI以及基于微孔PI复合膜的最新研究进展,并对其未来发展趋势进行了展望。     

金属有机骨架材料在气体分离膜中的应用

金属有机骨架(Metal organic frameworks,MOF)是一种新型材料,有着比表面积高、孔径可调等优点,以此为基础制备MOF膜克服了 MOF材料界面相容性和热稳定性差的缺点,在气体分离领域具有良好的应用前景.本文介绍了 MOF膜的功能层应用、物理共混、界面聚合以及接枝改性;简述了每种方法对不同气体分离性...     

聚酰亚胺气体分离膜的进展

本文叙述了近年来聚酰亚胺气体分离膜的发展概况。讨论了聚合物结构、共聚改性、交联改性和成膜历史对聚酰亚胺透气性能的影响。脂环族聚酰亚胺和六氟二酐(6FDA)型聚酰亚胺兼具有高透气性和高透气选择性,是一类具有发展前途的气体分离膜材料。     

二维材料膜在气体分离领域的最新研究进展（英文）

以石墨烯代表的二维材料已经成为新型高性能膜的纳米构建单元。原子级厚度的纳米片有利于制备超薄膜,极大提升膜的通量;与此同时,可实现在亚纳米级别精度下操纵传输通道实现精确的分子筛分,在气体分离领域有着广阔的前景。本文简要综述了二维材料膜在气体分离领域的最新突破性研究,重点介绍了如何实现亚纳米级别的二维通道,结构完整的二维纳米片的剥离方法及气体传输特性可调节的层间通道,并分析了二维材料膜发展面临的挑战和机遇。     

二维共价三嗪框架膜的制备及其分子分离性能

二维共价三嗪框架材料(2D-CTF)可作为一类理想的二维分离膜基元体。本文利用微界面法制备了具有寡层结构的2D-CTF-1纳米材料,并以其为基元体构筑超薄层状2D-CTF-1分离膜。采用傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱、原子力显微镜、透射电子显微镜和扫描电子显微镜对2D-CTF-1纳米材料及其组装成的分离膜进行结构与形貌表征,并测试2D-CTF-1分离膜在不同压力下的纯水通量以及对染料小分子的分离性能。结果表明:2D-CTF-1分离膜的纯水通量可达153.7 L/(m2·h)(25℃,0.1 MPa),二维面内结构孔为主要的水分子传输通道,对染料小分子刚果红的渗透通量为132.5 L/(m2·h)(25℃,0.1 MPa),截留率为98.3%。2D-CTF-1分离膜在长时间连续运行后仍能维持较高通量和96%以上的截留率,是一类极具潜力的新型二维分离膜材料。     

Gas Separation with Polymer Membranes

Gas-selective polymer membranes have long been used in industrial applications. Studies of polymers with well-defined flexible phenyl ether segments such as 1 should contribute to the understanding of the selection mechanism and thus ultimately lead to the synthesis of optimized membrane materials. Various different bridging groups X were used in the studies.     

含有聚醚链段的可溶性聚酰亚胺气体分离膜材料及其性能

将4,4'-六氟亚异丙基-邻苯二甲酸酐(6FDA)和1,3-苯二胺(mPDA)与二端氨基聚醚缩聚, 得到含有聚醚柔性链段的聚酰亚胺气体分离膜材料. 所合成的共聚聚酰亚胺在N-甲基吡咯烷酮(NMP)和四氢呋喃(THF)等有机溶剂中具有良好的溶解性能. 研究了O2, N2, H2, CH4和CO2在聚酰亚胺均质膜中的渗透性能, 考察了二端氨基聚醚的含量、链长和化学结构对气体渗透性能的影响. 结果表明, 聚醚链段的引入增大了气体的扩散系数, 气体的渗透系数显著增大; 聚醚链段与CO2相对较强的相互作用, 增大了对CO2/N2的溶解选择性, CO2/N2的分离性能优于CO2/CH4, 同时CO2比H2优先透过膜.     

Preparation and Characterization of Adsorption-Selective Carbon Membranes for Gas Separation

The preparation and characterisation of adsorption-selective carbon membranes (ASCMs) is described. ASCMs can separate the components of a gas mixture depending on their adsorption strength. These membranes allow the separation of non-adsorbable or weakly adsorbable components (e.g. N₂, H₂, O₂, etc) from the more strongly adsorbable components (e.g. hydrocarbons) in a gas mixture. They are prepared from the deposition of a thin film of a phenolic resin on the inner face of an alumina tube. Air oxidative treatment at temperatures in the range of 300–400°C, prior to carbonisation (pre-oxidation) or after carbonisation (under vacuum at 700°C) (post-oxidation) gives rise to an adsorption-selective carbon membrane. This membrane shows a high permeability and selectivity towards the separation of gas mixtures formed by hydrocarbons and N₂. Taking into account the permeation and separation properties of the membranes, post-oxidation treatment is shown to be more effective than pre-oxidation. The separation characteristics of the carbon membranes are dependent on the composition of the gas mixture (i.e. proportion of more strongly adsorbable components) and temperature.     

自具微孔高分子气体分离膜的结构调控与改性研究

自具微孔高分子（polymers of intrinsic microporosity, PIMs）是近年来出现的一种新型有机微孔材料,由含有扭曲结构的刚性单体聚合而成,具有比表面积高、化学和物理性质稳定、微孔结构可控等优点,在均相催化、氢气储存等方面表现出巨大的应用潜力。因其优越的气体分离性能,PIMs气体分离膜更是吸引了众多研究者的关注,发展迅速。本文总结了PIMs的分类及其在气体分离膜中的应用,重点介绍了PIMs气体分离膜的结构调控与改性方面的研究进展,分析了PIMs的分子结构与气体分离性能间的内在关联,最后提出了目前研究中存在的一些问题并对其发展做出了简要的评述。     

PEEK–WC-Based Mixed Matrix Membranes Containing Polyimine Cages for Gas Separation

Membrane-based processes are taking a more and more prominent position in the search for sustainable and energy-efficient gas separation applications. It is known that the separation performance of pure polymers may significantly be improved by the dispersion of suitable filler materials in the polymer matrix, to produce so-called mixed matrix membranes. In the present work, four different organic cages were dispersed in the poly(ether ether ketone) with cardo group, PEEK-WC. The m-xylyl imine and furanyl imine-based fillers yielded mechanically robust and selective films after silicone coating. Instead, poor dispersion of p-xylyl imine and diphenyl imine cages did not allow the formation of selective films. The H₂, He, O₂, N₂, CH₄, and CO₂ pure gas permeability of the neat polymer and the MMMs were measured, and the effect of filler was compared with the maximum limits expected for infinitely permeable and impermeable fillers, according to the Maxwell model. Time lag measurements allowed the calculation of the diffusion coefficient and demonstrated that 20 wt % of furanyl imine cage strongly increased the diffusion coefficient of the bulkier gases and decreased the diffusion selectivity, whereas the m-xylyl imine cage slightly increased the diffusion coefficient and improved the size-selectivity. The performance and properties of the membranes were discussed in relation to their composition and morphology.     

热致刚性膜材料的合成与气体分离性能研究

以丙酮为溶剂,将9,9-双(4-羟基苯基)芴(BHF)于室温下进行硝化反应得到二硝基化合物9,9-双(3-硝基-4-羟基苯基)芴,再经Pd/C-水合肼还原得到9,9-双(3-氨基-4-羟基苯基)芴(BAHF).采用上述二胺单体BAHF、与9,9-双(4-氨基苯基)芴(BAF)和六氟二酐(6FDA)通过低温溶液缩聚反应制备出一种含酚羟基的共聚聚酰胺酸溶液,经热酰亚胺化和热致重排反应得到共聚聚酰亚胺(CPI)和聚(酰亚胺-苯并恶唑)(PIPBO)热致刚性膜材料.采用核磁(NMR)、红外光谱(FTIR)、X-射线衍射仪(XRD)、热重分析仪(TGA)、差示扫描量热仪(DSC)和气体渗透性能测试等手段对所制得膜材料的结构、热性能和气体分离性能进行表征.研究结果表明,所制得的热致刚性膜主要表现出非晶结构,为无规共聚物,其Tg为340℃.随热处理温度升高,热致刚性膜的气体渗透性逐渐增加,450℃制得的热致刚性膜对O_2、N_2、H_2、CH_4和CO_2的渗透通量分别达到229.03、53.26、1497.35、33.52和818.76 Barrer.