论文总字数：19795字

摘 要

面对日益突出的能源、环境等问题，膜分离作为一种环保节能的高效分离技术广泛地应用于众多领域。气体膜分离技术相比于传统的分离方法能耗低且环保。聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有气体渗透通量高、粘结性好、成膜性好等优点，是优异的气体分离膜材料，因而被广泛用于均质膜和复合膜的制备。本论文研究了采用氢氧化铜纳米纤维为构筑基元，在大孔基膜上形成超薄分离层，以获得综合性能优异的复合分离膜。

本文以聚丙烯腈为支撑体，制备了无缺陷的PDMS/纳米线复合薄膜，并将PDMS/纳米线复合薄膜用于CO₂/N₂分离体系，在操作压力为0.2 MPa、操作温度为25 ℃时，纳米线沉积量为10 ml时制备的PDMS/纳米线复合薄膜的CO₂/N₂选择性为15左右，二氧化碳的渗透系数为3000 GPU。考察了不同操作条件对PDMS/纳米线复合膜气体分离性能的影响。研究发现随着涂覆PDMS含量的增加，渗透系数降低，而选择性上升。通过真空抽滤的方法，将氢氧化铜纳米纤维沉积到大孔基膜表面堆叠成膜，PDMS作为聚合物基质，采用涂覆法以聚丙烯腈（PAN）为支撑体成功制备出均匀分散无缺陷的复合薄膜。

关键词：CO₂分离 聚二甲基硅氧烷 纳米纤维 复合薄膜

The Preparation and Characterization of Polydimethylsiloxane(PDMS)/ Nanowire Composite Membrane

Abstract

Membrane technology plays significant roles in a large number of energy- and environment-related fields in a clean and efficient way.Compared with traditional gas separation methods, membrane process is energy-saving and more eco-friendly. Polydimethylsiloxane (PDMS), one of the membrane materials with the highest gas permeability, is widely used as dense or composite membranes because of its good cohesiveness and membrane forming property. In this thesis, copper hydroxide nanofiber was utilized as building blocks to generate ultrathin separation layers on macroporous supporting layers; and therefore composite membranes with ultrahigh flux as well as other good performances can be finally achieved.

In this work,polyacrylonitrile membrane was used as support to prepare the PDMS/nanowire composite membrane for carbon dioxide-nitrogen separation. Under the operation pressure of 0.2MPa and temperature of 25 ˚C, Nanowires deposited amount to 10 ml preparation of PDMS/nanowire composite membrane，the selectivity of the membrane reached 15 while the permeability of carbon dioxide was 3000 GPU. Effects of operation conditions on the composite membrane for the performance of carbon dioxide-nitrogen separation were also studied. With the increasing of the PDMS, the permeability of the carbon dioxide decreased, but the selectivity increased. By a vacuum filtration method, the copper hydroxide nanofibers deposited macroporous base film forming the surface of the stack, the PDMS as polymeric matrices ,composite membrane was successfully fabricated on the PAN support via solution-casting method.

Keywords: Carbon dioxide-Nitrogen separation; PDMS; Nanofiber; Composite membrane

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 气体膜分离技术 2

1.2.1 气体分离膜分离机理 2

1.2.2 高分子气体分离膜材料 5

1.2.3 气体分离膜的性能 6

1.3 纳米纤维 7

1.3.1 纳米纤维特点 7

1.3.2 纳米纤维的种类和制备方法 7

1.4 纳米纤维膜 9

1.4.1 纳米纤维膜的特点 9

1.4.2 纳米纤维膜的制备方法和应用 10

1.5 本论文的选题背景和研究内容 11

1.5.1 选题背景 11

1.5.2 研究内容 12

第二章 聚二甲基硅氧烷（PDMS）/纳米线复合薄膜的制备与表征 14

2.1 引言 14

2.2 实验部分 14

2.2.1 实验试剂及仪器设备 14

2.2.2 聚二甲基硅氧烷（PDMS）/纳米线复合薄膜的制备 15

2.2.3 表征测试 16

2.3 本章小结 19

第三章 聚二甲基硅氧烷（PDMS）/纳米线复合薄膜气体分离性能测试 20

3.1 引言 20

3.2 实验部分 20

3.2.1 气体分离性能评价 20

3.2.2 气体分离性能实验测试方法 21

3.3 实验结果与讨论 21

3.3.1 操作条件对膜分离性能的影响 21

3.4 本章小结 24

第四章 结论与展望 25

4.1 结论 25

4.2 展望 25

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1 背景

膜分离，是指在压力等驱动下，利用具有选择透过性的膜分离混合物，从而达到分离浓缩的目的，其过程如图1-1所示。半个多世纪以来，膜技术发展迅速，膜分离技术是近几十年发展起来的一项新兴的高效分离技术，也被认为是21世纪中期最有发展前途的技术之一，其中，气体分离膜技术是膜分离技术的一个重要组成部分。近几年来，气体分离膜技术分别在基础理论和实际应用等方面都得到了迅速发展，成为膜分离技术中发展最为迅速的独立分支技术。

随着社会的高速发展，能源、环境等问题日益突出，人们对环保产业的发展、传统产业的改造、生活质量的提高越来越重视。此时，能耗低、单级分离效率高、装置简单、环境友好等有点的膜分离技术充分展现出优势，已广泛应用于水处理、医药、食品、化工等领域^[1]。

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