Gas Separation Performance of Polyimide Homogeneous MembranesContaining tert-Butyl Groups

doi:10.7503/cjcu20220357

Abstract

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

CLC Number:

O631

TrendMD:

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

Figures/Tables 7

References 29

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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
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
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MBTBA?BPADA	40	0.1242	2.64	9.37	4.74	0.67	9.76	0.61	0.31	1.83

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
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	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