GTR-11气体透过率测试仪助力ZSM -5/乙基纤维素混合基质膜的研究

 摘要 

天然气开采过程中会伴随大量CO₂，这降低了天然气燃烧时产生的热量，如何从天然气中去除部分CO₂是一个亟待解决的问题。

齐齐哈尔大学的Shuangping Xu与大庆师范学院的Da Liu等团队合作，在《Materials Research Express》期刊上发表了一篇题为“Preparation and high CO2 /CH4 selectivity of ZSM- 5/Ethyl cellulose mixed matrix membranes"的研究论文。

该研究针对天然气开采中伴随大量CO₂导致燃烧放热降低的问题，以乙基纤维素（EC）为基体、ZSM-5为无机分散剂，在四氢呋喃中通过高速搅拌与超声振动辅助制备ZSM-5/EC混合基质膜，系统研究膜的成膜性能、耐热性、机械性能及CO₂/CH₄分离选择性，为无机分散剂改性有机基质膜提供理论依据。

 研究材料/仪器/方法 

材料

乙基纤维素、ZSM-5分子筛、四氢呋喃、氢气、CO₂/CH₄混合气体

仪器

傅里叶变换红外光谱仪、扫描电子显微镜、热重分析仪、膜拉伸试验机、厚度计、GTR Tec GTR-11气体透过率测试仪、玻璃片、真空干燥箱

GTR Tec GTR-11气体透过率测试仪

方法

ZSM-5/EC混合基质膜的制备

1. 称取1.8 g乙基纤维素（EC）置于烧瓶中，加入20 ml四氢呋喃（THF），在室温下通过高速搅拌与超声振动辅助使其溶解。

2. 称取不同质量的ZSM-5（含量分别为1%对应18.2 mg、3%对应55.7 mg、5%对应94.7 mg、8%对应156.5 mg、10%对应200.0 mg），通过超声振动辅助分散在THF中1 h，随后将其加入上述EC溶液中。

3. 混合体系经高速搅拌与超声振动辅助处理2 h，得到均匀混合的铸膜液，经200目过滤器过滤后，涂覆在洁净的玻璃片上，室温下蒸发溶剂。

4. 所得均匀薄膜（分别记为EC-ZSM1、EC-ZSM3、EC-ZSM5、EC-ZSM8、EC-ZSM10）在25℃真空条件下干燥12 h，完成膜的制备。

膜的表征与性能测试

1 结构与形貌表征

• 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：测定ZSM-5、纯EC膜及ZSM-5/EC混合基质膜的分子结构。

• 扫描电子显微镜（SEM）：将膜在液氮中断裂，喷镀一层薄金后，在距离10 mm、电流90 mA条件下，观察纯EC膜及ZSM-5/EC混合基质膜的表面与截面形貌。

2 热性能分析

采用热重分析仪（Q5000IRS）测试纯EC膜及混合基质膜的热性能，将膜加热至600℃，分析ZSM-5加入后膜的5%失重温度及600℃时的残留量变化。

3 机械性能分析

使用膜拉伸试验机（CH-1-B）测试膜的机械性能，测试样条长度50 mm、宽度20 mm，测试速度5 mm/min，通过厚度计测量膜厚度（107-156 μm），计算断裂伸长率和拉伸强度。

4 气体分离性能测试

采用GTR Tec GTR-11气体透过率测试仪测试膜对CO₂/CH₄混合气体的分离性能，测试温度34℃，测试压力49 kPa，以H₂为载气，通过气相色谱法测定混合气体的渗透系数，按以下公式计算：

1. 渗透系数 （单位：ml·cm·cm⁻²·s⁻¹·cmHg⁻¹），其中q为透过体积（ml），K为辅助修正系数（固定值2），L为膜厚度（cm），p为渗透压力（cmHg），t为测量时间（s），a为气体渗透膜面积（固定值0.785 cm²）。

2. 分离因子 ，其中和分别为CO₂和CH₄的单气体渗透系数。

 结论 

ZSM-5/EC混合基质膜在1%和3%掺杂量下的断裂伸长率分别为22.36%和24.53%，拉伸强度分别为47.58 MPa和50.52 MPa。ZSM-5/EC混合基质膜在1%和3%掺杂量下的断裂伸长率和拉伸强度均优于纯EC膜（21.56%，44.53 MPa）。力学性能测试表明，当ZSM-5掺杂量较低时， ZSM -5/EC混合基质膜的断裂伸长率和拉伸强度有所增加。ZSM-5/EC混合基质膜在5%、8%和10%掺杂量下的断裂伸长率分别为11.23%、7.56%和4.16%，拉伸强度分别为35.23 MPa、25.34 MPa和19.26 MPa。ZSM-5/EC混合基质膜在1%和3%掺杂量下的断裂伸长率和拉伸强度均显著弱于纯EC膜（21.56%，44.53 MPa）。力学性能测试表明，随着ZSM-5掺杂量的增加，ZSM-5的断裂伸长率和拉伸强度的提升呈现下降趋势。

CO2/CH4分离因子显著优于纯EC膜（8.2）。气体分离性能表明，添加ZSM-5改善了CO2/CH4的分离性能。