基于微孔聚合物的炭膜极微孔道体系的构建与调控

The core of membrane separation technology is the membrane materials. developing the high performance membrane materials is very important for promoting the economicial development,industrial technical progress and international competition of our country.For carbon membrane,the choice of polymeric precursors is the crux for the preparation of carbon membranes with high performance.In our project, the ploymeric precursors with high free volume or microporous structure are synthetised based on the design of molecule structure.Their evolution of chemical structure and space configuration during pyrolysis are investigated in order to understand the change behavior of chemical structure,space configuration and free volume and reveal the formation mechanism of pore structure and carbon structure of carbon membranes and the relationgships of the gas permeability and selectivity of carbon membranes with the size, configuration and pore volumes and build up the ultramicropore strcture system on the scale of molecule level.The regulation and control of the ultramicropore structure carbon can be realized by the optimal design of membrane preparation,pretreatment and pyrolysis process.The preparation technology of carbon membrane with the high gas separation performance can be formed.

膜材料是膜分离技术的核心，研究开发高性能膜材料对促进我国国民经济发展、产业技术进步与增强国际竞争力具有极其重要的作用；对炭膜,前驱体聚合物的选择是制备高性能炭膜材料的关键。本课题从分子结构设计出发，合成具有高自由体积并呈微孔结构特征的聚合物前驱体材料, 研究它们在热解炭化过程中的化学结构与空间构型的演变过程及规律；弄清化学结构、空间结构、自由体积在热解炭化过程中的变化规律；揭示膜孔结构、炭结构体系的形成机理；孔结构构型、尺度及孔体积分数与气体渗透性和选择性内在联系；在微观层面上构建具有高渗透性炭膜极微孔道体系。通过对聚合物膜制膜工艺、热解炭化工艺的优化设计实现对炭膜极微孔结构尺度的调控；形成制备出具有高渗透通量、高选择性炭膜的新方法和技术。本课题的实施将极大地丰富和发展炭膜的基础理论，形成具有我国知识产权制备高渗透通量、高选择性炭膜的新方法和技术，进一步促进和加快炭膜产业化应用的进程。

膜材料是膜分离技术的核心，研究开发高性能膜材料对促进我国国民经济发展、产业技术进步与增强国际竞争力具有极其重要的作用；炭膜是一种高性能膜材料，其前驱体聚合物的选择是制备高性能炭膜材料的关键。本课题从分子结构设计出发，设计合成了一系列具有微孔结构特征的聚酰亚胺、聚芳醚酮和自具微孔聚合物等炭膜前驱体；研究了它们在热解炭化过程中微结构的演变规律及化学结构对炭膜孔结构形成的影响规律；揭示了形成高渗透性炭膜的前驱体结构形态与特征；提出了控制和调控炭膜极微孔道结构的方法，实现了在微观层面上构建炭膜极微孔道体系及对极微孔结构体系的精细调控；借助分子模拟与实验研究结合探讨了气体在炭膜极微孔道结构中的吸附、扩散过程，揭示了不同气体在炭膜极微孔道中的渗透机制及气体在不同孔道体系中的渗透机制。研究表明，前驱体的化学结构及自由体积的大小对其热稳定性、热解炭化规律及孔结构的形成规律有很大的影响，从而影响炭膜的微结构（孔结构和炭结构）；刚性大、自由体积高的聚合物所制备的炭膜具有更高的气体渗透性；前驱体聚合物的化学结构如基团、链段结构及聚集态结构性质决定着炭膜的气体渗透分离性能。通过控制与调控聚合物的化学结构及在热解炭化过程中聚合物的聚集态结构、炭化工艺参数，可以实现对炭膜极微孔道结构的精细调控，制备出具有高气体渗透能力，适宜分离选择性的高性能炭膜材料；不同气体分子在炭膜孔道中的吸附扩散能力不同，混合气体在炭膜的极微孔道中存在竞争吸附现象；气体在炭膜的渗透机制为表面吸附与分子筛分的混合机制，随着炭膜极微孔道尺寸的减小，其渗透机制由表面吸附向分子筛分机制迁移；本项目的研究成果对深入了解炭膜的微观孔隙结构及气体在炭膜极微孔道结构的渗透行为提供了基础数据，对于开发新型高性能气体分离膜材料，推动气体分离膜大规模产业化应用具有重要的学术价值和实际应用价值。