细胞Actate-Bentonite混合矩阵Membranes开发性性能评价

抽象性

薄膜科学是一种最先进环境绿色技术,确定优于传统对等CO₂捕捉分离混合矩阵薄膜由细胞乙酸组成并加载多片二苯基粘土₂/CH₄和CO₂/N₂分离开发原型和MMM特征分析形态学、热学、结构学和机械学数项技术,如扫描电子显微镜分析、热测算分析、傅里叶变红外光谱检验和纳米缩进调查显示,与原型CA膜相比,Bt粘土MM纳米缩进测试识别出弹性模量和坚硬MM与原型膜相比加载分别增加64%和200%渗透性随Bt粘土集成而下降,因为气体分子推理性增强导致填充物均匀分散天然气分离性能提高与Bt加法达1瓦加载反向趋势是,由于填充器聚集和空白生成,Bt对分离性能的日益集中最大理想选择值₂/CH₄高压2Bt加载比原型CA膜高79%面向CO₂/N₂理想选择性比原型膜高123%百分位加载四巴压

开工导言

现今,人们广泛接受并理解CO₂排放是气候变化、海洋酸化和相关全球变暖的关键原因温室气体中CO₂显示最大支配作用,人为排放结果强化温室效应和气候变化达64%[一号..高管₂大气排放主要与化石燃料和工业烟气燃烧活动相关联,1990至2013年上升至61%[2..因此,CO₂分离不可避免,比起需求,努力规模有限

目前,吸收、低温蒸馏和吸附等数项技术常用分离并捕捉CO₂毒气尽管如此,上述传统技术显示出某些缺陷,特别是在资本成本、操作复杂性和有限CO₂加载能力3..因此,需要寻找低成本、环境友好型高加载容量和易应用CO₂捕捉技术薄膜技术与传统技术相比有潜力提供优异优异性4..膜技术不仅提供较低的资本成本,而且还提供设计和操作简单性、紧凑性、能源效率以及环境友好性5,6..

膜或无机或/和聚合材料开发合并上述材料证明对薄膜制造成本、化学和热稳定性以及易处理性都有利4,7..混合矩阵膜编译无缺陷或受最小影响的形态是艰难而富于挑战性并取决于材料选择8..其后,不适当选择材料可能导致干扰缺陷并严重损害MM分离能力成功膜编组取决于兼容聚合填充系统多苏尔夫内(PSf)、多叶苏尔夫内(PES)、聚imides(PI)和epeulse乙酸CA)常用聚合物制造膜九九-13..CA提供廉价制造、适当强健和良性兼容性、高性防腐性、易处理和高CO₂溶解性14..

Clay矿物特征为土性精细天然土料,并广泛研究聚合复合产业无机填充器15..Montorillite(Mt)常用粘合物加固聚合物,例如 cloitite和kaolin粘合物,这些粘合物也用于制造聚合物复合物[16,17..苯化物大都由二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二聚二Mt单元单元基础结构由四元表组成,内含四氧原子和八元铝层相交18号..有机聚合物和粘土粒子的交互作用决定纳米合成物的形态学,这些合成物或可相位分解、相拉分解并像图描述的那样排出一号.排版型态最理想并提供统一分布法促进MM的气分性能19号,20码..

CA广泛研究有机相位聚合物和纳米复合气体分离膜但它与双端粘土相联的潜力几乎没有报告本研究编译bentiteMMM并展示Bt加载对CA-BtMM性能的影响后制MM特征结构化、形态化、热化和机械性能其后气体分离₂/N₂和CO₂/CH₄研究开发膜

二叉实验性

2.1.素材类

切片乙型(CAM_N级三万元和四氢呋喃(THF99.5%)从Sigma-Aldrich购买本顿粘土由马歇尔交易公司巴基斯坦提供并按实收使用

2.2.优化CA集中

无缺陷膜形态学可分解溶剂中优化聚合物富集5类涂片溶液CA集中度不等 (5 10 15 20 wt)THF环境条件编译涂料解析留24小时完全解构高频CA后再消气24小时消除封装气泡消气解析法的粘度用Rheg计测定,测量粘度变化与时间并存,而所有其他参数则保持恒定不变。

2.3求解准备

准备涂片解析前,CA在100摄氏度夜间干除水分含量,THF和bentite按实收使用干CA解密tHF 聚合物解析并构造原状聚合膜

MMM理想0.5Bt散居THF60分钟以确保室温均匀分布5维特CA解析法的%添加到散装混合中,用于边缘目的并磁扰3小时余量CA逐步倒置以完全聚合解构,同时连续24小时保持650rm的扰动率后经准备CA-Bt解析法允许环境条件消毒12小时重用类似程序合成MMs其余部分合成原型和MM百分位百分数1.5百分数2百分位叠加码数分别为M1、M2、M3、M4和M5

2.4.膜开发

CA-BtMM技术编译磁带投影单元可调整薄膜使用,投影膜在浸入蒸馏水前24小时保持环境温度,一天遇上溶剂交换开发原型和MM机在真空炉中干燥,以便在70摄氏度时蒸发剩余溶剂12小时

2.5特征化开发原型和MM

干湿相倒置法被用于编译CA-BtMMss,这影响了膜结构因此,通过SEM分析研究投影膜的形态学

附属于开发膜的可能功能组由FTIR光谱分析识别(Perkin Elmer1650)。光膜光谱采集范围为400至4000cm^-1下传输模式

TGA(Perkin Elmer,STA600)用于判定CA-BtMMs热稳定性温度范围为30-800摄氏度的加热速率10°C/min分析热行为

2.6纯气渗透测试

开发MM使用纯N评估渗透行为₂内核₂和CH₄环境温度气体,2至6条不等压力系统通过吸尘泵从空气气体中排空前膜渗透气体流速用肥皂泡流计测量只需记录泡从零向高位移动所花时间21号..图2显示气渗透机图本研究使用

标准方程一号)和(b)2)按原样计算渗透式气体的渗透性与选择性15..

去哪儿气体渗透性表示量流率³s) 薄膜厚度匹配有效表面积²) mermbrane压力(cm.Hg) 温度(k)另一方面,选择性表示方式供油至 .

2.7使用纳米缩进技术的机械分析

纳米缩进测试通过持续僵硬度测量技术进行上面提到的测试记录金字塔钻移位采样面由动态负载生成本项研究中的测试加载约100mn并应用到每种混合矩阵膜上至少38分纳米缩进允许测量机械性能、硬性并减少Young薄膜模范图文显示研究膜图3.

3级结果与讨论

3.1.优化CA集中

图4显示粘度曲线二叉药解法由5至20 wt组成高频溶剂中%CA粘度曲线上升趋势随涂料溶液中CA组成量的增加而观察到初始粘度随着CA集中逐步增加尽管如此,曲线渐渐超出临界聚合物聚积可通过推断曲线线性段并截取图中显示的点4.常用这种方法从粘度曲线中测定临界聚合物浓度,并视之为薄膜开发技术中有效方法22号..

以上方法在此使用,临界涂料粘度确定值为13百分比CA集中关键涂料粘度与聚合链纠葛相关联聚合链在此临界涂料粘点下显示松散打包,因此欢迎非溶入海面生成空白薄膜形成配有药溶液关键聚合物集中形式多功能形态机械性能弱反之,在临界涂料粘度上方,聚合链显示异常纠葛阻塞非溶性扩散薄膜结构高于临界涂料粘度产生非粒状和强机械形23号..因此,了解聚合物解决方案的关键粘性非常重要,因为它平衡薄膜高密度多孔结构,实现最优分离性能22号..

3.2化学分析

FTIR用于分析Bt、纯CA和CA-BtMM光谱中出现的特征峰值并用图描述5.Bt纳米粒子频谱显示特征波段为1043、1713和2850cm^-1并关联 Al-O-Si变形、碳基组伸展和C-H联动伸展一号..

开发膜峰值低于900cm^-1表示酒精中C-O振荡可能是由于薄膜中残留THF23号..901cm峰值^-1归结辰族原始CA膜中的链路24码..平面平面平面平面平面平面^-11124和1159cm^-1归结为对称和对称二醇C-O振荡3..带观察1218cm^-1公元1367^-11437cm^-1C-C-O伸展式CH₃变形和H-C-H振荡25码..特征C=O拉伸振动^-1[25码..类似地,峰值观察约3000cm^-1表示boxylic酸温和效果26..观察显示CA-Bt交互作用

3cm3情理分析

跨MM气流特性强烈依赖结果膜结构形态SEM用于分析纯CA膜和MM图6显示冷裂膜剖面一般说来,小尺寸粘粒子在SEM图像中隐形,除非形群化

(a)

(b)

(c)

合成膜显示稠密形态并有某些空白气体分离膜总是偏重稠密形态学,因为它比对口多孔形态学提供优异分离性能27号..mbrane m2显示高密度形态减少空虚,可归结为薄膜干燥时THF迹蒸发M3膜展示统一稠密空闲自由形态预测CA均匀Bt扩散并检测稠密性空闲薄膜形态m4和M5膜凝聚导致增加虚构,从而降低这些膜分离性能并观察到,随着粘土加载的增加,空白大小和无效频率增加以上观察与先前报告的聚合物矩阵粘积研究一致15,17,28码..

3.4.热稳定分析

图中显示Bt加载各种原型CA和CA-BtMM7.简洁性分解温度计算为减重10%温度克显示重值不低于200摄氏度,归结于从合成膜中完全去除溶剂

半晶CA膜分解温度为235.27摄氏度热稳定增加Bt改善归因于Bt固有热特征,Bt吸收大量热纳米填充器安插聚合链并阻塞链间运动29..与原型薄膜相比,加0.5、1、1.5和2百分位提高分解温度分别为290.14、244.41、243.52和240.76摄氏度复合膜中最大热稳定性为0.5粘土%

梁氏填充PES膜28码..添加Mt2至20持续提高MMs热稳定性Herrra-Alonso还观察到Cloitite Na相似发现⁺PBMA中起始降解温度从222摄氏260摄氏度加泥%)30码..PMMA/clay纳米复合物也显示相似趋势热稳定性提高,因为在Mt分解温度提高是由于粘土层态限制氧气扩散聚合相热归粘板吸收,最终延迟分解过程31号..

3.5纳米缩进分析

3.5.1加载置换曲线

顶载负载平面平均渗透深度195华府m.引入粘土0.5百分位加载深度下降约145华府m比原型CA膜低25%下降趋势持续到1.5Bt加载量增高不可渗透粘土板高端双端加载MM深度缩进比原型CA膜低26%粘土扩散程度可能增加阻抗塑料变形作用导致低深度缩进

常量100mN应用膜样本,卸载此力会传播爬虫区域,图中歇斯底里显示8.Criep指深度超时变化,强制保持恒定,并立即提前实现新限值爬虫区后缩排开始卸载卸载曲线不与加载曲线重叠,这意味着开发膜不完全弹性,但也显示塑料行为32码..对所有开发膜而言,加卸曲线看似不间断稳定三十三..

3.5.2.缩进硬度

缩进硬度测量开发膜抗塑性或永久变形34号..从理论上讲,硬性是材料的固有属性,因接触深度变化而异35码..白化粘土添加纤维化乙酸对纳米硬性有重大影响

总的来说,粘土加载量的上升大大改善薄膜机械性能36号..发现硬度随表描述的开发膜中二叉石组成上升而增加一号.并阻抗缩进样本M4和M5膜观察到硬度剧增粘土粒子聚集于SEM显微图描述的大量加载纳米内插器可能撞击聚积区放大膜加载超过1.5千兆赫百分位加载


样本化	E-Modulsxx^3级(GPa)	最大深度华府m)	硬度x⁴(GPa)

M1	5.0	公元195	1.08
M2	6.3	145	341
M3	8.2	132	4.54
M4	13.0	74号	11937
M5	18.0	148号	235.82

3.5.3弹性运动

弹性模量取决于缩表接触深度一号.弹性模数合成膜下降并增加接触深度32码..弹性模数线性增长,CA矩阵粘积增加,显示MMMs的微弱行为CA链中粘粒子的存在使CA链中粘粒子更加僵硬以阻抗链取向并传播复合膜中的可塑性粘积浓度提高MMs时,模量比原型CA膜高,因此MM对弹性变形的抗药性随应力应用而增加32码..

3.6.气体渗透性能

渗透CO₂N级₂和CH₄CA和Bentone粘土MM气体渗透测试常压设置2、4和6巴

3.6.1.Feed压力对MM性能的影响

图九九表示CO₂CH₄和N₂各种Bt加载机开发原型和MM原型CA膜加联₂进料压力,渗透性在所有压力下都下降CA属性与玻璃性质相关联,硬聚合链和CA嵌套组阻塞链打包并增强可用免费量聚合链从自由打包转向紧凑打包结构,从而抑制可用免费量并限制气体分子通过膜扩散

(a)

(b)

(c)

双吸附模型解释气体分子通过聚合矩阵并结合Henry法则和Langmuir行为吸附扩散前者定义橡胶级分解,而后者解释玻璃聚合物中微树叶的存在37号..高管₂溶性先按Henry法则加压光聚合物空格开始收缩由Langmuir行为进一步加压类似CH₄和N₂显示相似下降趋势并增加压力气体行为与前文文献相容38号,三十九..

此外,跨膜气体渗透性取决于事件气分子的溶解性与易解性前者为热动特性并依赖薄膜表面气体密度,而后者则依赖事件分子的形状和大小[4,40码..图九九显示CO₂与所有压力范围的其他气体相比,原型和MM自那以来 CO₂由于其极性,与CH相比,玻璃CA膜可凝解性更高₄和N₂毒气除溶性外,下运动直径和线性分子形状CO₂对比其他对等程序有利于快速遍历CA膜41号..正因如此CO渗透性₂天然气比CH高₄和N₂跨开发原型和MM可渗透性下降依次如下:₂>CH₄> N₂.下降趋势归结于溶性差和气分子运动直径也观察到CH渗透性₄和N₂跨开发膜未受2至6条压力变化的极大影响Maryam等开发Pebax-ClayMMs并报告CH类似行为₄和N₂气体对事件气压42号..这是因为对大多数扩散控制事件气体而言,可溶性和传播系数不受压力增加的影响[43号,44号..举例说,低吸附和凝固特性事件气体不变或稍有变化并加转压反向趋势与高吸附和凝析相关可溶性和渗透性系数显示飞跃效果加压43号..

3.6.2本顿ite对MM选择性的影响

本顿粘土加载可能影响MMs分离气体效率因此,它被思考为此分析中唯一有影响的参数图九九显示CO₂渗透合成膜加增填充器集中观察显示,加二叉石渗透性显示2巴压力下降趋势下降趋势显示脱叶状粘土分布均匀排出粘粒子作用渗透相位并安插聚合链以限制气体扩散路径45码..以上现象是原型MMMs和CA-BtMMs渗透下降的原因

Bt加法下降趋势不仅限于CO₂仅限,但趋势对CH更为突出₄和N₂毒气如前所述,传播被视为CH的主要运输机制₄和N₂气跨膜高运动直径N₂3.64+CH₄可见性比CO低₂330++此外,由于斜粘粒子渗透僵硬材料,其统一中断为事件气分子制造曲折路径并阻塞大气分子通向[46号..

图解10(a)并10(b)当前理想选择CO₂/CH₄和CO₂/N₂各种Bt加载原型CA薄膜各种薄膜显示理想选择性提高公元前最高CO₂/CH₄和CO₂/N₂在所有压力中都注意到有选择性百分位粘土理想选择CO₂/N₂和CO₂/CH₄选取率从4.13和7.33提高至6.15和9.072栏

(a)

(b)

向上趋势理想选择膜百分数集成后反转再加百分数₂/CH₄和CO₂/N₂选择性面向CO₂/CH₄最高选择度为13.1乘2巴压力,比原型CA膜高79%并加载1%膜显示最大理想选择₂/N₂对比原型和MM最大选择度为9.834栏,比纯CA膜高123%超出此集中度,填充器开始组成聚变虚形学出现并影响薄膜表面并妨碍分离特性47,48号..因此,任何进一步增长超过1%加载粘粒子不显著提高CO₂/CH₄和CO₂/N₂选择开发MM因此,得出的结论是,添加Bt粘土会放大MMs气体分离性能对比哈希福德将Cloisite 15输入PEI矩阵并观察类似结果16..理想形态介于2WT填充器加载量的%,加量产生无效形态并恶化MM分离性能

4级结论

在这次工作中,用细胞乙酸薄膜调查无机填充器的潜力逐步反转技术用于制造原型CA膜和MM薄膜热稳定性提高,粘土粒子耐热性能提高Bt加载负载移位测试显示,以2%Bt加载渗透深度比原型薄膜低至62%,加硬性测试进一步支持这一测试,显示Bt归并趋势飞涨此外,开发薄膜增强弹性模数反映Bt高级跨子交互CA系统

气体分离测试开发膜显示CO明显增加₂/CH₄通过常压加插Bt一般来说,事件气体渗透性因原状薄膜下降,原因是Bt板块在CA矩阵内诱导mms一元Bt加载证明是最合适的组成并显示高性能气体分离同时理想选择CO₂/CH₄和CO₂/N₂上升至79%和123%由此可以得出结论,Bt合并CA矩阵有可能显示热机式和形态改进MM₂分离特征

数据可用性

当前研究期间生成和/或分析的数据集可应合理请求从相关作者处获取

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突

感知感知

这项研究工作得到了巴基斯坦化学聚合材料工程局UET Lahore新校园的支持。撰文者想感谢Mr.Muhammad Sulaiman提供技术协助对膜进行纳米缩进测试

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