含叔丁基聚酰亚胺均质膜的气体分离性能

doi:10.7503/cjcu20220357

摘要/Abstract

摘要：

采用高温“一步法”缩聚合成了一系列含叔丁基的可溶性芳香聚酰亚胺树脂, 然后通过溶液浇注法制得相应均质薄膜, 并对其气体分离性能进行了测试, 同时研究了二酐结构和温度对聚酰亚胺均质膜气体分离性能的影响. 结果表明, 对于H₂, N₂, O₂, CO₂和CH₄ 等5种气体, 含叔丁基聚酰亚胺均质膜不仅表现出良好的透气性, 而且具有较高的气体透过选择性, 4,4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐(6FDA)和均苯四甲酸二酐(PMDA)两类聚酰亚胺均质膜的气体分离性能最佳. 除CO₂外, 这两类聚酰亚胺均质膜的气体渗透系数随温度升高而升高, 而所有测试气体在这两种均质膜中的扩散系数和溶解度系数均随温度升高而增大.

关键词: 聚酰亚胺均质膜, 气体分离, 叔丁基

Abstract:

A series of soluble aromatic polyimides containing tert-butyl groups were synthesized by the one-pot high-temperature polycondensation. The corresponding homogeneous membranes were prepared by the solution casting method and then their gas separation performances were measured. The effects of dianhydride chemical structures and temperature on the gas separation performance of these polyimide membranes were investigated in detail. For five kinds of gases（including H₂， N₂， O₂， CO₂ and CH₄）， all of them exhibited good gas permeability with the high gas permselectivity， especially the polyimide membranes containing 4，4'-（hexafluoroisopropylidene）diphthalic anhydride（6FDA） or pyromellitic dianhydride（PMDA）. Except for CO₂， the gas permeability coefficients increased with increasing the temperature for these two kinds of polyimide membranes， while the diffusion coefficients and solubility coefficients of the five gases were increased with increasing the temperature.

Key words: Polyimide homogeneous membrane, Gas separation, tert-Butyl group

中图分类号:

O631

TrendMD:

王寿柏, 吴修明, 束辰, 钟敏, 黄卫, 颜德岳. 含叔丁基聚酰亚胺均质膜的气体分离性能. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220357.

WANG Shoubai, WU Xiuming, SHU Chen, ZHONG Min, HUANG Wei, YAN Deyue. Gas Separation Performance of Polyimide Homogeneous MembranesContaining tert-Butyl Groups. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220357.

图/表 7

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Membrane	L/μm	V_f /nm³	D^a_CO2	10^-8D^a_O2	10^-8D^a_N2	10^-8D^a_CH4	10^-2S^b_CO2	10^-2S^b_O2	10^-2S^b_N2	10^-2S^b_CH4
MBTBA?6FDA	38	0.1652	15.60	—	16.00	4.56	14.30	—	0.73	2.38
MBTBA?PMDA	40	0.0832	7.12	20.60	7.90	2.64	18.50	0.97	0.67	2.64
MBTBA?BPDA	40	0.1322	4.85	16.70	5.24	1.45	14.90	0.84	0.56	2.68
MBTBA?ODPA	38	0.0996	3.09	16.30	4.56	0.91	16.20	1.13	0.54	2.55
MBTBA?BTDA	38	0.0658	2.62	9.28	3.49	0.86	14.50	0.84	0.44	1.65
MBTBA?BPADA	40	0.1242	2.64	9.37	4.74	0.67	9.76	0.61	0.31	1.83

Membrane	L/μm	V_f /nm³	D^a_CO2	10^-8D^a_O2	10^-8D^a_N2	10^-8D^a_CH4	10^-2S^b_CO2	10^-2S^b_O2	10^-2S^b_N2	10^-2S^b_CH4
MBTBA?6FDA	38	0.1652	15.60	—	16.00	4.56	14.30	—	0.73	2.38
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MBTBA?ODPA	38	0.0996	3.09	16.30	4.56	0.91	16.20	1.13	0.54	2.55
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Membrane	Permeability/barrer					Permselectivity
Membrane	H₂	N₂	O₂	CO₂	CH₄	H₂/CH₄	O₂/N₂	CO₂/CH₄
MDA?PMDA ^a	3.95	0.0327	0.205	0.990	0.0223	177	6.3	44.4
4MMDA3?PMDA ^a	87.0	7.08	27.4	87.0	8.21	10.6	3.9	11.9
MBTBA?PMDA ^b	137	5.23	19.9	132.0	6.9	19.8	3.8	19.1
MDA?BPDA ^a	4.55	0.302	0.208	1.00	0.0205	222	6.9	48.8
2MMDA1?BPDA ^a	8.91	0.0483	0.369	1.41	0.0278	321	7.6	50.7
4MMDA3?BPDA ^a	31.8	0.913	4.73	22.4	0.818	3.9	5.2	27.4
MBTBA?BPDA ^b	85.2	3.0	14.1	72.4	3.89	21.9	4.8	18.6
MDA?6FDA ^a	32.8	0.563	3.15	15.1	0.321	102	5.6	47.0
2MMDA1?6FDA ^a	35.1	0.406	2.51	8.75	0.198	177	6.2	44.2
4MMDA3?6FDA ^a	74.4	2.13	10.3	43.9	1.45	51.3	4.8	30.3
MBTBA?6FDA ^b	247.0	11.7	43.6	223.0	10.8	22.9	3.7	20.6

Membrane	Permeability/barrer					Permselectivity
Membrane	H₂	N₂	O₂	CO₂	CH₄	H₂/CH₄	O₂/N₂	CO₂/CH₄
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4MMDA3?PMDA ^a	87.0	7.08	27.4	87.0	8.21	10.6	3.9	11.9
MBTBA?PMDA ^b	137	5.23	19.9	132.0	6.9	19.8	3.8	19.1
MDA?BPDA ^a	4.55	0.302	0.208	1.00	0.0205	222	6.9	48.8
2MMDA1?BPDA ^a	8.91	0.0483	0.369	1.41	0.0278	321	7.6	50.7
4MMDA3?BPDA ^a	31.8	0.913	4.73	22.4	0.818	3.9	5.2	27.4
MBTBA?BPDA ^b	85.2	3.0	14.1	72.4	3.89	21.9	4.8	18.6
MDA?6FDA ^a	32.8	0.563	3.15	15.1	0.321	102	5.6	47.0
2MMDA1?6FDA ^a	35.1	0.406	2.51	8.75	0.198	177	6.2	44.2
4MMDA3?6FDA ^a	74.4	2.13	10.3	43.9	1.45	51.3	4.8	30.3
MBTBA?6FDA ^b	247.0	11.7	43.6	223.0	10.8	22.9	3.7	20.6

Membrane	Gas	P₀/barrer	E_p/ （kJ?mol^-1）	10^-4D₀/ （cm²·s^-1）	E_d/ （kJ·mol^-1）	10^-6S₀/ ［cm³（STP）·cm^-3·cmHg^-1］	H_s/ （kJ·mol^-1）
MBTBA?PMDA	N₂	211.0	9.58	23.80	26.12	7.55	-16.96
	O₂	147.0	4.99	1.86	17.43	84.70	-12.27
	CO₂	33.4	-3.11	5.49	22.71	5.34	-26.16
	CH₄	307.0	9.69	13.60	27.75	24.10	-17.90
MBTBA?6FDA	N₂	73.4	5.38	6.35	22.03	11.60	-16.64
	CO₂	25.9	-5.11	4.26	21.10	6.08	-26.21
	CH₄	122.0	6.59	25.60	29.05	4.19	-22.81