微孔聚合物在气体分离膜方面的运用范文

摘要：微孔聚合物是一类具有高自由体积元素和大表面积的微孔材料。微孔聚合物由于其易于大规模生产、易于加工和高性能的微孔性，在气体分离、气体储存、清洁能源等领域得到了广泛的应用。本文综述了近年来微孔聚合物在各种能量相关方面的研究动态。应用，特别是用于气体分离和储气罐。通过提高聚合物的刚性，以足够的自由体积尺寸改善微孔率，发展了新型微孔聚合物，即所谓的热重排（TR）聚合物和本征微孔聚合物（PIM）。它们的刚性提高了分离性能和效率，并具有极高的透气性。此外，它们在有机溶剂中的溶解度使它们在大规模的工业应用中具有潜在的用途。

关键词：微孔聚合物；气体分离；渗透性；选择性

微孔材料由于其非常高的孔隙率和表面积，在诸如清洁能源、催化和存储介质等领域有着许多潜在的应用。微孔有机材料，如各种网络聚合物，在气体分离、气体储存、采光、储能和能量转换等方面已经出现应用。此外，随着世界能源使用量的增加，对氢能、燃料电池、储能等清洁可替代能源的需求不断增长。根据国际纯和应用化学联合会(IUPAC)的最新定义，微孔材料包括平均尺寸小于2nm的极小的孔[1]。微孔材料中的这些小孔隙诱导小分子和离子的转运和储存。氢能被认为是一种清洁能源，而为了减少温室气体向大气的排放，二氧化碳（CO2）捕集技术得到了发展。在这些应用中，微孔材料包括微孔有机聚合物（MOP）、沸石型咪唑酸盐骨架（ZIFs）和金属有机骨架（MOF），具有高孔隙率和大的表面积作为气体储存和分离材料[2]。此外，微孔聚合物的易加工性已向工业应用扩展显示出了巨大的优势。与烃类资源相比，氢能源具有较高的能量密度。因为氢的燃烧残留物仅仅是干净的水，对环境无任何的污染。然而，以经济、安全的方式生产、输送和储存氢气的许多问题限制了氢能使用的增长。用于氢气的能量转换装置，如燃料电池系统，已经被开发用于移动和固定应用。然而，成功的氢资源应该满足生产、交付和存储问题。贮氢缺乏方便、安全和成本效益是贮氢的主要问题，因此人们研究了各种材料以最大限度地提高贮氢材料的吸氢能力。分离过程违反热力学定律，因此，分离技术涉及大量的能耗[3]。分离纯化技术的要求包括生产率和纯度，它们与工艺成本直接相关。因此，分离技术的质量取决于分离工艺的选择，以及实现高生产率和高纯度的工艺设计。

传统的气体分离技术，即吸收、吸附和低温蒸馏，需要大量的能源消耗和大的生产面积来生产纯天然气。膜气分离与传统的分离技术相比，能耗低，能耗高，发挥了重要作用。膜气体分离过程不需要相变或额外的热再生过程，因此与其他分离过程相比具有潜在的能量效率竞争力。膜气体分离工艺也需要相对较小的占地面积，这降低了操作现场的要求。各种材料如聚合物、金属、陶瓷和杂化材料已被用作膜材料。在膜材料中，聚合物由于其易于加工和良好的力学性能而在大规模应用中占主导地位。聚合物可以形成不对称结构，可用于制造大规模应用的高通量膜组件。多种多样的聚合物膜组件已经被几家公司商业化，但只使用了少量的商业聚合物，如醋酸纤维素（CA）、聚酰亚胺（PI）和聚苯醚（PPO）。透气性是生产的一个术语，气体的选择性是指产品的纯度。

大多数工业气体分离膜由具有可选择性的低渗透性聚合物生产。因此，需要高生产率的多个膜组件。气体分离膜的透气性和选择性之间的折衷关系是明确的，其中高渗透材料通常表现出低的分离性能，反之亦然。渗透率与选择性之间的折衷关系主要归因于渗透效率，因为高渗透膜通常具有许多扩散路径或吸附位点，其中其他气体也可以通过，结果是，这种膜提供了低效率或气体选择性。近40年来，为了提高聚合物膜材料的性能，对聚合物膜材料进行了大量的研究。因此，与第一代材料相比，渗透性和选择性都有所提高。当前膜的性能有一定的局限性，这就是所谓的“上限”。罗宾逊根据前人的大量资料，在气体渗透率与有价气体对的选择性之间的权衡中提出了一个“上限[5]”。开发具有可接受的选择性的高渗透膜可有效地降低工艺成本。产品纯度与气体选择性有关，可通过工艺设计实现。然而，生产率的提高只有通过大量大面积的膜组件或使用高透气性膜材料才能达到。因此，开发高渗透性膜材料的突破是必不可少的。

微孔聚合物被认为是作为高效膜材料的上界。迄今为止，微孔聚合物主要被研究作为存储材料或吸附剂。然而，他们的高自由体积元素可有利于气体分离膜具有很高的气体渗透性。微孔聚合物膜，如取代聚乙炔和无定形氟聚合物，显示出比其他常规低自由体积聚合物更高的渗透性。然而，由于权衡关系，它们表现出低选择性。近十年来，人们报道了一类具有足够刚性的新型微孔聚合物，如热重排(TR)聚合物和本征微孔(PIM)聚合物，与CA、PI和PPO等其他膜材料相比，它们具有高的选择性，以及非凡的气体渗透性。这些微孔聚合物的膜性能也超过了上限。它们为在许多工业应用中实现更高能效的膜气体分离工艺提供了潜力。

作者:于莹莹 杨丰绮 唐玉娇 单位:长春科技学院