GTR-11气体透过率测试仪助力聚酰亚胺/离子液体混合膜的性能表征

 摘要 

大气中二氧化碳的增加主要源于烟气排放、天然气燃烧等。但CO2的存在降低了天然气的开发价值，影响甲烷的燃烧效率，增加成本，并导致管道腐蚀。

2024年1月，齐齐哈尔大学的Xiaoyu Du等团队，在《Polymers》期刊(IF:5.0)发表题为“Preparation of Polyimide/Ionic Liquid Hybrid Membrane for CO2/CH4 Separation"的研究论文。

该研究针对CO₂分离回收难题，将四种不同烷基链长度的咪唑类离子液体按不同含量加入聚酰亚胺基质，通过高速混合机制备一系列聚酰亚胺/离子液体混合膜，系统研究膜的机械性能和CO₂/CH₄分离渗透性能。

 研究材料/仪器/方法 

材料

4,4'-二氨基二苯醚、4,4'-二邻苯二甲酸酐、N,N-二甲基甲酰胺、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-十二烷基咪唑四氟硼酸盐、CO₂/CH₄二元混合气体

仪器

高速混合机、旋涂机、真空烘箱、扫描电子显微镜、膜厚度计、膜拉伸试验机、GTR Tec GTR-11气体透过率测试仪

GTR Tec GTR-11气体透过率测试仪

方法

聚酰亚胺（PI）膜的制备

1. 向三颈烧瓶中加入0.40 gODA、0.91 g（2.04 mmol）6FDA和5.50 mL DMF，搅拌4-5 h使其充分反应，制备聚酰胺酸（PAA）溶液。其中6FDA过量2 mol%，以避免其在空气中水解影响反应。

2. 将PAA溶液均匀倒在洁净的玻璃片上，采用溶液流延法成型。

3. 将流延好的膜置于真空烘箱中进行梯度加热环化，以去除残留溶剂并形成聚酰亚胺膜：80℃加热3 h、120℃加热3 h、160℃加热2 h、200℃加热1 h、240℃加热1 h、280℃加热1 h。

聚酰亚胺/离子液体（PI/ILₙ）混合膜的制备

1. 向三颈烧瓶中加入5.60 mL DMF、0.40 g（2.00 mmol）ODA和0.91 g（2.04 mmol）6FDA，搅拌1 h后加入指定质量的离子液体，继续搅拌4-5 h，制备含离子液体的聚酰胺酸溶液。离子液体含量分别设为5%、10%、15%、20%。

2. 采用与纯PI膜相同的溶液流延法和梯度加热环化工艺，制备PI/ILₙ混合膜。

性能测试与表征

1 表面形貌表征

采用扫描电子显微镜观察纯PI膜及PI/ILₙ混合膜的表面形貌，分析离子液体在聚酰亚胺基质中的分散情况。

2 机械性能测试

使用膜拉伸试验机测试膜的机械性能，测试样条规格为长度30 mm、宽度10 mm，测试速度5.00 mm/min，记录断裂伸长率和拉伸强度。

3 气体分离性能测试

1. 将致密膜安装在变压定容气体渗透池中，25℃下真空处理3 h后进行测试。

通入CO₂/CH₄二元混合气体，进料压力为2-20 atm，通过GTR Tec GTR-11气体透过率测试仪分析渗透侧气体组成。

3. 按以下公式计算膜的渗透率（P）、选择性（α）、扩散系数（D）和溶解系数（S）：

渗透率：其中q为透过体积，K为辅助修正系数，L为膜厚度，a为气体渗透膜面积，p为渗透压力，t为测量时间。