PVP改性PDMS/PAN中空纤维复合膜提升表面亲水性
Improvement on surface hydrophily of hollow fiber-supported PDMS gas separation membrane by PVP modification
通讯作者:
收稿日期: 2018-01-25
Received: 2018-01-25
作者简介 About authors
胡磊青(1992—),男,博士生,从事CO2减排控制机理研究.orcid.org/0000-0001-8416-0789.E-mail:
为了改善气体分离复合膜中聚二甲基硅氧烷(PDMS)过渡层与极性分离层的界面结合,利用高极性的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修饰聚丙烯腈(PAN)中空纤维支撑的PDMS气体分离膜表面,以提高PDMS表面极性和亲水性并减少对气体渗透速率的不利影响. 利用X射线光电子能谱(XPS)证实利用溶液浸渍法可以将PVP接枝在PDMS表面对其修饰,并且随着浸渍时间的增加,PVP接枝量逐步增加,修饰效果逐渐增强. 实验结果表明,交联剂1,3,5-苯三甲酰氯(TMC)增强了PDMS表面的PVP接枝改性,PVP修饰使PDMS表面的水接触角降低到21.1°,显著提高了PDMS表面亲水性和极性,从而有利于PDMS层和极性分离层的紧密结合. PVP修饰使得CO2对其他气体(H2、CH4、N2)的选择性随TMC/PDMS摩尔比的增加而逐渐降低,气体选择性CO2/H2、CO2/CH4、CO2/N2的最大峰值分别为3.9、3.8、11.8.
关键词:
Polyvinyl pyrrolidone (PVP) with high polarity was adopted to modify the surface of PDMS layer supported on polyacrylonitrile (PAN) hollow fiber, in order to improve the polarity and hydrophily of PDMS layer surface and ensure the minimum negative effect on gas permeability. The employment of PVP was to enhance the interfacial cohesion of polydimethylsiloxane (PDMS) gutter layer and polar selective layer in gas separation composite membrane. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was utilized to prove that PVP could be grafted to PDMS layer and modify its surface by dip-coating, and the grafting quality and modification of PVP increased and enhanced respectively with the increase of coating time. Results showed that the crosslinker 1,3,5-Benzenetricarbonyl trichloride (TMC) could improve the function of PVP grafting modification, and the surfacewater contact angel decreased to 21.1°, which meant that the surface polarity and hydrophily of PDMS layer were obviously improved and the PDMS layer and polar selective layer were tightly combined. In addition, with the increase of molar ratio of TMC/PDMS, CO2/H2, CO2/CH4 and CO2/N2 selectivity decreased gradually by PVP modification, peaking at 3.9, 3.8 and 11.8, respectively.
Keywords:
本文引用格式
胡磊青, 程军, 王亚丽, 刘建忠, 周俊虎, 岑可法.
HU Lei-qing, CHENG Jun, WANG Ya-li, LIU Jian-zhong, ZHOU Jun-hu, CEN Ke-fa.
二氧化碳捕集技术广泛应用于电厂烟气脱碳、沼气提纯和天然气提纯中[1-2]. 相对于传统的二氧化碳捕集技术如化学吸收和变压吸附,膜分离技术具有操作简单、高能效、低成本和低污染等优势[3-6]. 在气体分离膜领域,亲CO2膜材料具有高CO2渗透速率和选择性等优点,可以从小气体分子(如H2)中分离出CO2[7-9]. 亲CO2膜材料主要包括橡胶态聚合物如嵌段聚醚酰胺(Pebax)、聚乙二醇类(PEGs)和聚离子液体基聚合物等[10-12]. 中空纤维复合膜是采用中空纤维作为基膜,在其表面制备1层分离层[13]. 该类膜能够提升膜组件中膜面积填充密度,减小组件体积[14];也可以减小分离层厚度,减少气体渗透阻力以提升气体渗透性能[15]. 在复合膜制备中,为降低亲CO2分离层厚度,防止分离层进入基膜表面的孔道中,确保亲CO2复合膜的渗透速率,应在复合膜的多孔基膜和亲CO2分离层之间制备1层过渡层[16]. 聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为具有高CO2通透性、低CO2选择性的材料,被广泛用作复合膜过渡层材料[17-18]. 然而非极性的PDMS与极性的亲CO2分离层材料结合较差,不利于超薄无缺陷分离层的制备,并影响膜的性能稳定性与寿命[16]. 因此,在维持PDMS层的高CO2渗透性和选择性的基础上,必须对PDMS层进行表面修饰以提高表面极性.
紫外光/臭氧处理、激光处理、表面化学接枝以及等离子体处理等不同方法被应用于对PDMS进行表面修饰[19-21]. 然而,现有方法并不能兼顾PDMS极性的改善和高CO2渗透性的维护. Fu等[22]采用紫外光和臭氧对PDMS膜进行修饰,生成SiOx分离层. 修饰后的PDMS膜的O2渗透效率降低,然而O2/N2选择性提高. 他们还采用大气压高温等离子体炬来修改PDMS膜,但是发现CO2的渗透性和CO2/N2选择性不能同时得到提升[23]. Wu等[24]在PDMS交联中添加活性位点,并通过活性位点连接修饰剂. Chen等[25-26]通过在PDMS表面接枝PEG来提高PDMS表面的亲水性,然而这种修饰方法会产生较厚的修饰层,使得气体的渗透性急剧降低.
本研究提出全新、高效的接枝方式以提高PDMS层表面极性,从而改善气体分离复合膜中PDMS过渡层与极性分离层的界面结合. 选用高极性的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[27]和用作PDMS交联剂的1,3,5-苯三甲酰氯(TMC);采用聚丙烯腈(PAN)中空纤维作为支撑,在其外表面涂制PDMS层;在PDMS膜外接枝PVP以提高PDMS的表面极性和亲水性;交联剂TMC可以强化PVP在PDMS表面的接枝改性效果.
1. 实验材料和方法
1.1. 材料
图 1
图 1 材料化学结构式与PAN中空纤维SEM图
Fig.1 Material chemical structures and SEM image of PAN hollow fiber
1.2. 制备PAN中空纤维支撑的PDMS膜
交联的PDMS层采用如下步骤涂镀在PAN中空纤维上. 1)将0.2 g低聚物PDMS加入到3.3 g正己烷中,并充分搅拌;2)按照TMC/PDMS摩尔比MT/P为2∶3、4∶3、6∶3、10∶3、14∶3、18∶3,即将0.007、0.014、0.021、0.035、0.049、0.063 g TMC分别加入到3.3 g正己烷中,充分搅拌;3)将制成的PDMS溶液加入到TMC溶液中搅拌1 min,获取PDMS涂层溶液.
PAN中空纤维在使用之前,需要进行冷冻干燥处理以去除中空纤维孔中残存的溶剂,并维持良好的中空结构. 将PAN中空纤维均匀切成5 cm的管段放入去离子水中浸泡1 min,再放入冰箱中冷冻12 h以上,取出后即可进行冷冻干燥处理. 每根PAN中空纤维管一端固定在尼龙短管上,另一端用环氧树脂胶密封. PAN中空纤维支撑的PDMS薄膜是通过以下镀膜方法合成的:将制作好的PAN中空纤维管在去离子水中预湿5 s,再浸入用于涂层的PDMS溶液中3 s,干燥72 h. 按此步骤,即可得到PAN中空纤维支撑的不同MT/P的PDMS膜. 在镀膜同时,取出部分用于涂层的PDMS溶液滴在载玻片上,形成PDMS薄膜后进行水接触角(water contact angle,WCA)测试.
1.3. PAN中空纤维支撑的PDMS膜外表面接枝PVP
将0.2 gPVP溶解在9.8 g乙醇中,搅拌30 min;再将PAN中空纤维支撑的不同MT/P的PDMS膜浸入PVP溶液30 s. 在进行膜表征测量和气体渗透性实验之前,要将上述PDMS膜干燥72 h. 载玻片上的PDMS薄膜也需要进行相同操作,用于改性后的水接触角测试.
1.4. PDMS膜表征测量
利用X射线光电子能谱(XPS,VG科学有限公司)测量接枝PVP改性后的PAN中空纤维支撑PDMS膜的化学组成成分. 为了保证相对准确性,每个样本都会选择2个不同区域进行测试. 此仪器对于结合能量(bending energy, BE)测量的分辨率约为0.8 eV. 使用MT/P逐渐增加的TMC制作的交联PDMS膜的WCA变化情况是通过OCA20光学接触角测量仪(dataphysics公司)测量得到的. 载玻片上交联的PDMS膜就是用于此实验,每个样品均选择6个不同点进行测量.
1.5. PDMS 膜气体渗透性实验
式中:J为膜的渗透速率,反映单种气体或混合气体的渗透能力,即单位膜面积和单位分压差下气体渗透体积流量;P为膜的渗透系数,即单位膜厚、单位膜面积和单位分压差下气体渗透体积流量;L为膜厚度;Q为气体流动速率;Sm为复合膜有效膜面积;Δp为膜两侧的压力差;α为气体的分离系数.
2. 实验结果和讨论
2.1. PDMS膜表征
PVP接枝改性后的PDMS/PAN中空纤维复合膜的化学组成成分变化通过XPS表征. 由图2可以看出,在改性前,复合膜表面主要包括O、C、Si等元素,同时含有微量的N元素. 这与氨基封端PDMS的元素成分分布相契合,证明PDMS薄层成功制备在PAN中空纤维表面. 在PVP表面接枝改性后,N元素峰明显增强,而作为PDMS特征峰的Si元素峰相对减弱,验证了PVP成功接枝在PDMS表面. 如表1所示为利用XPS探测得到的PVP接枝改性前后,PDMS/PAN中空纤维复合膜表面特征元素质量分数的变化. 可以看出,随着MT/P的升高,N元素质量分数增加,Si元素质量分数降低,表明TMC有助于PVP的表面接枝改性,增加了PVP的接枝量.
表 1 PVP接枝改性前后PDMS/PAN中空纤维复合膜表面特征元素质量分数变化
Tab.1
MT/P | PVP接枝改性 | wB/% | |
Si | N | ||
2∶3 | 改性前 | 24.12 | 2.28 |
改性后 | 22.59 | 3.04 | |
10∶3 | 改性前 | 22.64 | 2.22 |
改性后 | 16.32 | 4.58 | |
18∶3 | 改性前 | 21.66 | 2.03 |
改性后 | 14.82 | 7.70 |
图 2
图 2 PVP接枝改性前后PDMS/PAN中空纤维复合膜的表面XPS图
Fig.2 XPS spectrum of PDMS/PAN hollow fiber composite membrane before and after PVP grafting modification
图 3
图 3 不同TMC/PDMS摩尔比下PVP接枝改性前后PDMS/PAN中空纤维复合膜的表面水接触角
Fig.3 Water contact angles of PDMS/PAN hollow fiber composite membranes before and after PVP grafting modification under different molar ratios of TMC/PDMS
2.2. 气体渗透性表现
在PVP接枝改性前后,在30 oC下对PDMS/PAN中空纤维复合膜的CO2选择性和渗透性进行测试. 由图4可知,在改性前,随着MT/P逐渐增大,PDMS膜的CO2渗透速率
图 4
图 4 不同TMC/PDMS摩尔比下PVP接枝改性前后PDMS/PAN中空纤维复合膜的CO2渗透速率
Fig.4 CO2 permeation rate of PDMS/PAN hollow fiber composite membrane before and after PVP grafting modification under different molar ratios of TMC/PDMS
2.3. 气体选择性表现
PVP的表面改性能部分提高CO2对其他气体(H2、CH4、N2)的选择性. 如图5所示,在PVP接枝改性前,CO2/H2、CO2/CH4、CO2/N2的选择性α
图 5
图 5 不同TMC/PDMS摩尔比下PVP接枝改性前后PDMS/PAN中空纤维复合膜的CO2对其他气体的选择性
Fig.5 Selectivities of CO2 to other gases of PDMS/PAN hollow fiber composite membrane before and after PVP grafting modification under different molar ratios of TMC/PDMS
3. 结 语
在PDMS/PAN中空纤维复合膜表面成功进行PVP接枝改性,显著提高了膜表面极性,并保持了膜的高CO2选择性渗透性能. 随着PDMS交联剂TMC物质的量的增加,PVP接枝量增加. 通过调节膜中TMC物质的量和进行PVP改性,PDMS/PAN膜的水接触角从约117.0°降到约21.1°,证明了PDMS表面亲水性和极性的显著提高. 在PVP接枝改性后,CO2/H2、CO2/CH4、CO2/N2选择性分别提高至3.9、3.8、11.8,相对改性前的选择性分别提高了25.8%、2.7%、28.3%. 当TMC/PDMS摩尔比小于6∶3时,PVP接枝改性后CO2渗透性基本不变,保持了较高的CO2渗透系数.
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