响应面法优化分离CO2/N2的CS/PVDF复合膜的制备条件

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CO:作为引起全球气候变暖的主要温室气体和宝贵的碳资源,对其进行捕集与分离成为目前重要的研究课题。与传统的吸收和吸附等分离工艺相比,膜分离CO:具有能耗低、流程简单、投资少、易操作及环境友好等优势。膜是膜分离技术的核心,传统的有机气体分离膜由于溶解-扩散机理的限制,难以突破‘’Robeson上限”,无法制备兼具高CO2渗透速率以及高选择性的膜。为了从根本上摆脱‘’Robeson上限”带来的困扰,就需采用不依赖溶解-扩散机理的促进传递膜。固定载体膜因兼具较高的渗透速率和选择性以及载体稳定等优点,成为一种备受关注的促进传递膜。膜的制备条件对膜的分离性能影响很大,但是传统的膜制备条件优化是采用单因素优化,其没有考虑参数之间的交互影响关系,且具有实验次数多等缺点,因此本文以胺基为载体,选用具有氨基的壳聚糖(CS)为膜材料,制备CS/PVDF复合膜分离C02/N2,以其分离CO2/N2性能为响应值,利用响应面法对复合膜的制备条件进行优化。首先选择壳聚糖(CS)分子量、CS浓度、溶剂蒸发温度、溶剂蒸发相对湿度以及共混添加剂三乙醇胺(TEA)浓度等5个关键参数作为考察因素,其中TEA浓度是TEA占CS和TEA总质量的质量分数(下同)。以膜的C02渗透速率、C02/N2选择性以及综合分离性能为响应值,在优化变量的可行域内,应用Design-Expert 7.1.3软件中的Box-Behnken design设计了46组不同的膜制备实验条件。其次,采用L-S相转换法制备了聚偏氟乙烯(PVDF)超滤底膜,并以0.5wt.%的PVA水溶液对其进行亲水化改性;然后采用滚涂法在不同的制膜条件下制备了CS/PVDF复合膜,利用膜分离性能测试装置对膜分离性能进行测试。利用软件对所得数据进行方差分析和响应面分析,实验结果具有较好的相关性,得到了膜的CO:渗透速率、CO2/N2选择性以及综合分离性能的二次项模型方程。最后对膜的制备条件进行优化和实验检验。综合考虑膜的C02渗透速率和C02/N2选择性这两个响应值与单独考虑膜的综合分离性能都得到了相同的最优制膜条件:CS分子量为30万、CS浓度为1.4wt.%、溶剂蒸发温度为30℃、溶剂蒸发相对湿度为20%、TEA浓度为15wt.%,此条件下CS/PVDF复合膜的C02渗透速率、C02/N2选择性和综合分离性能的预测值分别达到了75.5 GPU、54.3和59;并在此制膜条件下对模型的预测值通过实验进行检验,膜的CO:渗透速率、C02/N2选择性和综合分离性能的预测值与实验平均值的相对误差分别为10.01%、5.46%和5.82%。
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