用于气体和蒸气分离的聚合物膜

现代社会的主要问题之一是维持高水平的生活，并创造一个可持续的未来。在这方面，我们正面临一些问题，这些问题与提高能源效率和对环境友好地利用我们有限的资源的需要有关。

膜技术因其占地面积小、能源效率高和模块化设计而被视为当前使用工艺的潜在替代方案[1,2]。可能使用膜技术的重要分离是

• H₂/公司₂分离为燃料电池生产氢
• 有限公司₂/N₂用于CO的烟气或石灰炉废气的分离₂扣押
• 有限公司₂/CH₄用于天然气处理或沼气升级的分离
• O₂/N₂分离以产生富氧空气或纯氮。通过膜从加油站或石油平台的空气中回收有机蒸汽，减少对大气的排放，提高工艺效率和经济性。

分离膜的种类

气体和/或蒸汽的选择性分离要求薄膜能够根据分子特性进行分离。此类膜可以是无机和多孔的，例如沸石或介孔二氧化硅，根据渗透物种的分子尺寸或可冷凝性进行分离。它们可以是金属的，主要用于氢气分离，因为可能会发生化学裂解和复合反应。市面上最常见和最丰富的一类膜是由聚合物膜形成的，根据所谓的溶液扩散机制进行分离。

渗透率与选择性

用于气体和蒸汽传输的聚合物膜的一个限制是所谓的渗透选择性权衡，Robeson等人于1991年首次报道[3]，随后进一步更新[4]。这种权衡基本上决定了如果一个人正在寻找具有更高渗透性的新材料，所付出的代价是更低的选择性，以及欧洲杯足球竞彩反之亦然虽然最初只是在经验考虑的基础上引入，但[5]也给出了这种权衡的物理背景。

尽管存在这一内在的限制，但用于气体分离的聚合物膜研究的主要目标之一已经成为寻找超出这一上限的材料。欧洲杯足球竞彩目前，分子设计和建模技术一方面用于支持和理解实验结果，另一方面用于预测膜性能[6]。

膜的形成

制备聚合物膜最简单的方法是溶剂蒸发法，它从均匀的聚合物溶液开始，通常得到相对较厚的膜。这有利于传输现象的基础研究，但它们不太适合实际应用，因为它们相对较低的渗透率，与膜厚成反比。普通的玻璃状或橡胶状聚合物可形成均匀致密的薄膜，但对于嵌段共聚物而言，在适当的条件下溶剂蒸发可形成具有独特输运性质的三维形貌。

通过相转化可以制备具有薄选择层的完整致密膜。在Loeb和Sourirajan[8]首先介绍的这种方法中，聚合物溶液与适当的非溶剂接触，导致聚合物沉淀。迄今为止，这种方法与其说是一门科学，不如说是一门艺术，但在适当的条件下，所形成的膜将具有一个具有精心控制的传输特性的顶层和一个提供其机械阻力的多孔支撑层。在干湿相转化法中，聚合物在短时间暴露于空气后凝结，可形成有效厚度低至约50 nm的超薄膜。[9]. 在所谓的干相转化法中，凝固步骤不存在，并且发生相转化，因为非溶剂已经存在于铸造溶液中，并且比溶剂挥发性小。与干湿法相比，该方法对选择性皮肤厚度的控制较少[10]。欧洲杯线上买球

复合膜通常是通过多孔载体的后处理来制备的，例如，用稀释的聚合物溶液浸渍涂层，然后通过相界面聚合进行溶剂蒸发[11]。对于中空纤维，复合膜可通过三孔喷丝头直接纺丝制备[13]。

图1。不对称膜[9]的超薄皮肤

膜材料欧洲杯足球竞彩

可能的膜材料[14]的数量几乎是无限的，从高选择性低渗透的玻璃状欧洲杯足球竞彩聚酰亚胺和聚醚酰亚胺，到聚砜和聚醚砜，到高渗透的橡胶状聚二甲基硅氧烷。一般来说，橡胶聚合物比玻璃聚合物更具有渗透性，对可凝结的物质也更有选择性。

用于工业上的聚合物仍然相对较少。第一代纤维素酯由于其坚固性和在不同条件下的相对稳定性能，尽管其分离性能非常温和，但仍然非常受欢迎。最近，人们对PTMSP[15]、聚降冰片烯和相关聚合物等高自由体积玻璃聚合物越来越感兴趣[16,17]，以及具有固有微孔隙度的聚合物[18,19]，这些聚合物具有异常高的渗透率和类似于橡胶聚合物的溶液选择性。

另一个不同但密切相关的主题是聚合物前体膜的热解，用于生产高渗透性和选择性碳膜[20]。玻璃状全氟聚合物，如Teflon AF[21]或Hyflon AD[6]结合了高自由体积和对大多数有机蒸汽的高抗性[22]，为要求更高的应用开辟了前景。

试图超越罗伯森上限定义的纯有机聚合物的性能极限，导致了对混合基质膜的广泛研究[23,24]，其中通常无机多孔填料分散在聚合物基质中。此外，致密填料可能会对运输性能产生积极影响[25]。在这些系统中，主要的挑战是实现不同材料之间的良好兼容性。欧洲杯足球竞彩

输运现象/机制

气体和蒸汽在致密聚合物膜中的传输通常由溶液扩散机制控制[26]。理想的选择性，一个_{i、 j}，为物种I和j的渗透率之比，由扩散项和溶解度项组成:

橡胶聚合物中的选择性通常受溶解度控制，而玻璃聚合物中的选择性通常受扩散控制。例外情况是一些高自由体积聚合物，如PTMSP、PIMs等，可能表现出橡胶的典型反向选择性。在大多数情况下，混合气体的选择性低于理想选择性，尽管在这些高自由体积聚合物中，渗透性更强、更易冷凝的物种的选择性冷凝可有效阻止渗透性更低的物种，因此表现出比理想选择性更高的选择性。在比较结果时，必须注意这些可能略微取决于使用的特定测量技术[27]。时滞测量尤其强大，因为它们同时提供渗透率和扩散率数据。小心操作时，可能会发现异常现象，如全氟聚合物膜中的醇聚集[28]。

一种特殊的情况是便利运输，在这种情况下，膜中的特殊添加剂或官能团积极和选择性地增强了混合物中的一种物种的运输。例如:用银盐[29]或CO促进烯烃的运输₂由含胺基团[30]。目前，离子液体作为增强气体输送的添加剂受到了广泛关注。研究了不同的技术来获得稳定的膜[32,33,34]。

图2。渗透剂临界体积与含有80%IL的离子液体凝胶膜传输性能的相关性。

自由体积在密聚合物膜的传输过程中起着关键作用，其知识对理解膜的性能具有重要意义。不同的探测技术，以实验或计算方法为基础，可以给出膜材料[35]中FV分布的准确图像。欧洲杯足球竞彩玻璃化聚合物处于非平衡状态，物理老化导致自由体积[36]降低，渗透率降低，选择性[37]增加。这种效应在薄膜[38]中表现得更快，因此用相转换制备的非对称膜比相应的厚膜[9]具有更高的选择性。

EUs框架计划下各种特定项目和网络的资金支持清楚地表明了对更好的膜和膜材料的需求[39欧洲杯足球竞彩]。

工具书类

1. 伯纳多、戈勒姆、德里奥利、，印第安纳州,Eng。化学。Res．48(2009) 4638。
2. R.W.贝克，印第安纳州。英。化学。物件。41 (2002) 1393.
3. L.M.罗伯森，J.Membr。Sci。62 (1991) 165.
4. L.M.罗伯森，j .会员。Sc我320 (2008) 390.
5. 最初弗里曼大分子32 (1999) 375.
6. M.Macchione、J.C.Jansen、G.De Luca、E.Tocci、M.Longeri、E.Drioli、，聚合物48(2007) 2619。
7. k - v Peinemann, M. Konrad, V. Abetz，海水淡化, 199 (2006) 124.
8. S. Loeb, S. Sourirajan，放置化学。， 28 (1963)
9. J.C. Jansen, M.G. Buonomenna, A. Figoli, E. Drioli，j .膜科学., 272 (2006) 188.
10. J.C. Jansen M. Macchione和E. Drioli，J.Membr。Sci。，255(2005), 167。
11. J.C.Jansen、F.Tasselli、E.Tocci、E.Drioli、，海水淡化, 192 (2006) 207.
12. S. sridhar, B. Smith, S. Mayor, B. Prathab, T.M. Aminabhavi，j .板牙。科学。， 42(2007)， 9392。
13. S.-G。李，G.H. Koops, M.H.V. Mulder, T. van den Boomgaard, C.A. Smolders，J.Membr。Sci。, 94 (1994) 329.
14. Yampolskii，Yu.，Pinnau，I.，Freeman，B.D.（编辑），《气体和蒸汽分离膜欧洲杯足球竞彩的材料欧洲杯线上买球科学》；约翰·威利父子：奇切斯特，英格兰，2006年。
15. K. Nagai, T. Masuda, T. Nakagawa, B.D. Freeman, I. Pinnau，掠夺。理工大学。Sci。26 (2001) 721.
16. 格林戈尔茨，伯梅舍夫，余。Yampolskii，L.Starannikova，V.Shantarovich，E.Finkelshtein，大分子43 (2010) 7165.
17. Gringol'ts, ML, Bermeshev, MV, Syromolotov, AV, Starannikova, LE, Filatova, MF, Makovetskii, KL, Finkel'shtein, ES，石油化学。352。
18. P.M.Budd，B.S.Ghanem，S.Makhseed，N.B.McKeown，K.J.Msayib，C.E.Tattershall，化学。Commun。(2004) 230.
19. 点巴德，E.S. Elabas, B.S. Ghanem, S. Makhseed, N.B. McKeown, K.J. Msayib, C.E. Tattershall, D. Wang，副校长。2004, 16, 456.
20. C.W.琼斯，W.J.科罗斯，碳32(1994) 1419。
21. 张海，S. G. Weber，聚四氟乙烯AF材料，欧洲杯足球竞彩上面。咕咕叫。化学。308 (2012) 307.
22. I.Pinnau，Z.He，A.R.Da Costa，K.D.Amo，R.Daniels，我们帕特。6361582 B1(2002)。
23. M.A.Aroon、A.F.Ismail、T.Matsuura、M.M.Montazer Rahmati、，普里夫九月。技术。， 75(2010) 229。
24. 钟大山、蒋丽丽、李丽丽、库尔普拉提潘加、，掠夺。理工大学。Sci。， 32(2007) 483。
25. Merkel，T.C.，Freeman，B.D.，Spontak，R.J.，He，Z.，Pinnau，I.，Meakin，P.，Hill，A.J。，欧洲杯线上买球, 296 (2002) 519.
26. J.G.Wijmans，R.W.Baker，J.Membr。Sci。, 107 (1995) 1.
27. K. Friess，J.C. Jansen，O. Vopicka，A.RANDOVA，V. Hynek，M S. Pek，L.巴托夫斯克，P.Iz AK，M. Dingemans，J Duulf，H. Van Langenhove，E. Drioli，J.Membr。Sci。，338 (2009) 161.
28. J.C. Jansen, K. Friess, E. Drioli，J.Membr。Sci。141。
29. 洪苏宇，金建华，袁杰，姜玉生，放置板牙．12(2000) 968。
30. H. Matsuyama, A. Terada, T. Nakagawara, Y. Kitamura, M. Teramoto，J.Membr。Sci。221。
31. P.斯科瓦佐，J.Membr。Sci。343(2009), 199。
32. J.C. Jansen, K. Friess, G. Clarizia, J. Schauer, P. Izák，大分子．44(2011) 39。
33. J.E.Bara，E.S.Hatakeyama，D.L.Gin，R.D.Noble，变异较大。放置抛光工艺。19(2008) 1415。
34. O. Vopička, V. Hynek, K. Friess, P. Izák，欧元。变异较大。J。[参考译文]
35. J.C.Jansen，M.Macchione，E.Tocci，L.De Lorenzo，Yu.P。Yampolskii，O.Sanfirova，V.P.Shantarovich，M.Heucher，D.Hofmann，E.Drioli，大分子42(2009) 7589。
36. 黄耀荣，王锡荣，D.R.保罗，J.Membr。Sci。， 277 (2006)
37. 黄耀荣，D.R.保罗，聚合物45 (2004) 8377.
38. 黄培炎和保罗，大分子， 39 (2006) 1554
39. FP7项目NMP3-SL-2009-228631: DoubleNanoMem -用于气体和蒸气分离的纳米复合材料和纳米结构聚合物膜;FP7项目NMP3-SL-2009-228652: SelfMem -自组装聚合物膜;FP7项目NMP3-SL-2009-228701: NASA-OTM -纳米结构表面活化超薄氧传输膜;FP6 Network of Excellence NMP3-CT-2004-500623: NanoMempro -通过探索纳米尺度材料的特性来扩展膜的宏观尺度应用。