聚合物/离子液体凝胶膜的热致相分离构建及二氧化碳分离研究

去除天然气、燃烧尾气、合成燃料气中的CO2是环境、能源、化工等领域的重要分离过程，对于缓解温室效应、提高能源效率和加快新能源建设具有极其重要的现实意义。本项目基于离子液体卓越的CO2分离性能和理化性质的可调性特征，以聚偏氟乙烯及其共聚物为基体，咪唑型离子液体为稀释剂，采用热致相分离技术构建聚合物/离子液体凝胶膜并用于CO2分离研究。通过改变聚合物链结构、离子液体分子结构、浓度、冷却速率等，研究聚合物与离子液体间的热力学相容性和相分离动力学，以及对体系相分离行为和相分离结构的影响规律；构建晶相/凝胶相结构和晶相/凝胶相/液相结构的聚合物/离子液体凝胶膜，考察成膜条件、相分离结构及CO2分离性能间的内在联系；探讨CO2在凝胶膜内的传递机理及膜内相分离结构的最优化设计。凝胶膜研究为膜分离技术高效、快速、稳定去除CO2提供理论依据，同时对热致相分离制膜理论的完善具有重要的推动作用。

本项目基于离子液体卓越的CO2分离性能和理化性质的可调性特征，以聚偏氟乙烯共聚物为基体，咪唑型离子液体为稀释剂，采用热致相分离技术构建聚合物/离子液体凝胶膜并用于CO2分离研究。通过改变聚合物链结构、离子液体分子结构、浓度、冷却速率等，研究聚合物与离子液体间的热力学相容性和相分离动力学，以及对凝胶膜CO2分离性能的影响规律，结果表明：热致相分离过程中，聚(偏氟乙烯-六氟丙烯)与咪唑六氟磷酸盐体系发生由聚合物结晶导致的固-液相分离过程，凝胶膜的构建主要通过聚合物在离子液体中的结晶过程实现，降温过程中晶核将多个聚合物链连接起来形成三维骨架，而液态的离子液体则填充在三维骨架中，形成失去流动性的热可逆凝胶膜；受离子液体强极性的影响，P(VDF-HFP)的结晶由alpha晶型转变为beta晶型，但随着离子液体浓度的增加，P(VDF-HFP)的二次结晶过程受到抑制，凝胶膜的三维骨架主要由聚合物的初始结晶形成；P(VDF-HFP)/[CnMIM]PF6凝胶膜的骨架结构主要为大而疏松的球晶状，气体渗透过程主要受扩散过程控制，随着阳离子烷基链长增加，CO2气体的渗透系数和CO2/N2气体渗透选择性显著提高；但随着冷却速率的降低，凝胶膜的气体分离过程由扩散过程控制转变为溶解过程控制。