具有超高渗透选择性的烃类阶梯聚合物用于膜的气体分离
章出处：Holden W. H. Lai, Francesco M. Benedetti, Jun Myun Ahn, Ashley M. Robinson, Yingge Wang, Ingo Pinnau, Zachary P. Smith, Yan Xia. Hydrocarbon ladder polymers with ultrahigh permselectivity for membrane gas separations. Science 2022, 375, 1390-1392.
工业化学分离占世界能源消耗的15%。与蒸馏和吸收等传统分离方法相比，膜法的能源效率可高达10倍。然而，膜基气体分离的一个主要限制是众所周知的膜材料的渗透性和选择性之间的权衡，导致性能上限。商用膜的选择性一般，但渗透性较低。溶液可加工的固有微孔聚合物(PIMs)已成为一种有吸引力的膜材料。刚性和扭曲的PIM骨架导致了固体状态下的链堆积，从而产生了丰富的自由体积分数，因此，相对于传统聚合物来说，具有超高的渗透率。PIMs定义了几乎所有气体分离的上界。尽管最近取得了这些有希望的进展，但设计具有高选择性的PIMs仍然是一个挑战，这对于膜在工业相关应用中的实现至关重要。例如，为了满足工艺规范，天然气加工和氢气回收分别需要CO2/CH4选择性> 40和H2/CH4选择性> 50。此外，PIM膜的混合气体CO2/CH4分离性能远低于纯气体的上限(基于计算的理想选择性)。为了设计用于天然气和沼气升级以及其它气体和蒸汽分离的聚合物膜，有必要通过与实际过程相关的压力下的混合气体渗透实验来评价膜的性能。
图1
对于CO2/CH4的分离，CANAL-Me-Me2F提供了2倍于醋酸纤维素的选择性和100倍的渗透性，醋酸纤维素是一种广泛应用的商业膜材料。与另一种工业膜材料聚砜相比，CANAL-Me-Me2F的渗透性提高了两个数量级，对H2/CH4的选择性提高了3倍。随着H2渗透率> 2000，H2/CH4选择性为185，老化后的CANAL-Me-Me2F的H2/CH4选择性超过了其它PIMs的H2/CH4选择性(图2A)，这些PIMs的H2/CH4选择性通常< 50。老化后的CANAL-Me-Me2F还表现出约46的CO2/CH4选择性和约600 barrer的高CO2渗透率(图2B)。
其它具有环取代基的CANAL芴聚合物CANAL-Me-S5F、CANAL-Me-S6F和CANAL-Me-DHP均在老化后表现出超高性能，与CANAL-Me-Me2F相似(图2)。这一发现表明，在三维CANAL聚合物中，不寻常的老化行为是普遍的。与CANAL芴聚合物相比，CANAL-Me-DHP的选择性更强，CO2/CH4和H2/CH4的选择性分别为68和621，而老化158天后的CANAL-Me-DHP仍保持较高的CO2和H2渗透率(分别为94和860 barrer)。CANAL-Me-DHP的H2/CH4选择性也超过了非溶液处理的热重排聚合物和石墨烯。与其它PIMs相比，CANAL-Me-DHP对H2/N2、H2/CO2和O2/N2的选择性也更高
图2
图3
声明：本站部分 章内容系出于传递信息之目的源自于第三方 站转载，行业企业、终端用户投稿。若对稿件内容有任何疑问或质疑，请立即与本 站联系，本 站将迅速给予回应并第一时间做出处理（联系邮箱：jinwei@zod.com.cn）。