內(nèi)嵌柔性支撐體PDMS復(fù)合膜的制備及其C3氣體/N2分離性能研究

王 鴻, 李 琳, 王春雷, 王同華

?

內(nèi)嵌柔性支撐體PDMS復(fù)合膜的制備及其C3氣體/N2分離性能研究

王 鴻, 李 琳, 王春雷, 王同華

(大連理工大學(xué)化工學(xué)院精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室炭素研究室，遼寧大連 116024)

以鋼網(wǎng)為支撐體，采用浸漬法制備具有內(nèi)嵌柔性支撐體結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合膜，采用掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合膜的形貌進(jìn)行分析，探討了制膜工藝對(duì)C3氣體/N2體系氣體滲透性能的影響。研究表明，與PDMS均質(zhì)膜相比，在保持較高選擇性的前提下，內(nèi)嵌柔性支撐體PDMS復(fù)合膜不僅具有較高的氣體滲透通量，同時(shí)表現(xiàn)出具有良好的柔韌可彎曲性能和機(jī)械強(qiáng)度。不同經(jīng)緯結(jié)構(gòu)的鋼網(wǎng)所制備的柔性復(fù)合膜的氣體滲透性能不同，結(jié)構(gòu)疏松鋼網(wǎng)制備的復(fù)合膜氣體滲透速率較高；PDMS的制備工藝(如單體和交聯(lián)劑的配比、固化反應(yīng)時(shí)間及濃度)對(duì)復(fù)合膜的氣體分離性能影響較大。在最佳制備工藝條件下，所制備的復(fù)合膜對(duì)N2、C3H8、C3H6氣體的滲透速率分別為8、106、178 GPU (1 GPU = 10-6cm3(STP)×cm-2×s-1×(cmHg)-1；C3H8/N2和C3H6/N2的選擇性分別為12和21。復(fù)合膜對(duì)烴類混合氣也表現(xiàn)出良好的分離性能，并保持良好的滲透穩(wěn)定性。

PDMS復(fù)合膜；內(nèi)嵌；柔性；滲透

1 前 言

油氣是石油開采及生產(chǎn)中的衍生氣體，是C1，C2及C3等烴類氣體與空氣的混合物[1]。油氣既是一種重要的能源戰(zhàn)略物資，也是化學(xué)工業(yè)重要的原材料，如利用油氣中C3氣體即丙烯、丙烷生產(chǎn)的相關(guān)產(chǎn)品商用價(jià)值較高[2]。然而，目前多數(shù)油氣被直接燃燒或隨意排放，不僅造成資源的浪費(fèi)，同時(shí)還導(dǎo)致溫室效應(yīng)、光化學(xué)煙霧等一系列環(huán)境問題。此外，C3氣體在輸送過程中易凝結(jié)成液滴，不利于氣體的輸運(yùn)及管道的維護(hù)[3~5]。因此，對(duì)油氣中的烴類氣體進(jìn)行回收利用，既可實(shí)現(xiàn)其資源化利用，還會(huì)減少對(duì)自然環(huán)境的危害。目前油氣分離最常用的方法是深冷分離[6]，但該方法設(shè)備復(fù)雜，耗能較高，效率較低。氣體膜分離技術(shù)是一種新興的氣體分離技術(shù)，具有能耗低、環(huán)境友好、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在碳?xì)浠衔锓蛛x回收領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景[7,8]。

膜材料是膜分離技術(shù)中的核心。與不易壓縮的小分子氣體相比，實(shí)現(xiàn)C3氣體的分離回收要求其膜材料具有優(yōu)先滲透大分子易壓縮烴類氣體的能力。聚二甲基硅氧烷(PDMS)分子鏈呈螺旋結(jié)構(gòu)、卷曲度高，分子剛性小，分子間作用力較弱，溶解烴類的能力較強(qiáng)，特別有利于透過大分子烴類氣體，被認(rèn)為是回收烴類氣體的理想膜材料[8,9]。目前，針對(duì)PDMS膜的研究工作主要集中在制備PDMS均質(zhì)膜或以無紡布及聚合物膜如聚砜等為支撐體的有機(jī)PDMS復(fù)合膜，或以無機(jī)支撐體如陶瓷管、多孔不銹鋼制備無機(jī)PDMS復(fù)合膜[10~13]。然而，有機(jī)PDMS復(fù)合膜往往機(jī)械性能較差、易老化、使用壽命較低。而無機(jī)PDMS復(fù)合膜盡管具有機(jī)械強(qiáng)度高、熱化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但其剛性強(qiáng)、脆性大，無法卷曲，相應(yīng)的組件填裝密度比氣體分離常用的螺旋卷式或中空纖維式膜組件低得多，造成其實(shí)際的氣體滲透能力相對(duì)較低。

本研究以柔性的鋼網(wǎng)為支撐體，通過浸漬方式使PDMS膜層與支撐體融為一體形成互穿結(jié)構(gòu)，制備內(nèi)嵌式柔性支撐體的PDMS復(fù)合膜，探討支撐體結(jié)構(gòu)、制備工藝對(duì)所制備的PDMS復(fù)合膜N2、C3H6及C3H8的氣體滲透速率和分離選擇性的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本研究使用的聚二甲基硅氧烷(PDMS)包括A組分(前驅(qū)體單體)和B組分(交聯(lián)劑)，結(jié)構(gòu)式如圖1所示，由深圳市淳昌硅橡膠有限公司提供；正己烷(分析純)，由天津石星月化工有限公司提供；鋼網(wǎng)(325目) 為市售產(chǎn)品；氮?dú)?N2)、丙烷(C3H8)和丙烯(C3H6)由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所氣體站提供，純度均為99.99%。

圖1 A組分和B組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

2.2 PDMS復(fù)合膜的制備

將PDMS的A組分、B組分以不同配比和不同濃度溶解在正己烷中，室溫下磁力攪拌4 h，靜置脫泡6 h后制得均相涂膜液。將鋼網(wǎng)浸漬于涂膜液中一定時(shí)間后取出，在室溫下靜置4 h，使溶劑蒸發(fā)，然后放入80℃烘箱內(nèi)進(jìn)行一定時(shí)間的交聯(lián)制得PDMS復(fù)合膜。

2.3 PDMS均質(zhì)膜的制備

按照2.2節(jié)的方法，將PDMS的A組分、B組分以10:1的比例溶解在正己烷中，得到PDMS濃度為15% 的均相涂膜液。將涂膜液傾倒在聚四氟乙烯表面皿上，在80℃恒溫臺(tái)上交聯(lián)24 h，制得PDMS均質(zhì)膜，膜厚約為150 μm。

圖2 恒壓力變體積法氣體滲透裝置

1. triple valve 2,4,5. stop valve 3. pressure gauge 6. membrane cell 7. gas chromatograph

2.4 PDMS復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)的表征

采用FEI公司的QUANTA40型電子顯微鏡(SEM)對(duì)PDMS復(fù)合膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

2.5 PDMS復(fù)合膜的氣體滲透性能測試

采用恒壓力變體積法測試復(fù)合膜的氣體滲透性能。測試裝置如圖2所示，從氣瓶出來的測試氣體經(jīng)減壓閥2調(diào)節(jié)到一定壓力后進(jìn)入膜池6，滲透氣被膜池下游的載氣帶入氣相色譜7中，產(chǎn)生的譜圖經(jīng)數(shù)據(jù)處理計(jì)算后得到膜的氣體滲透速率，滲余氣經(jīng)尾氣管排出。本實(shí)驗(yàn)中膜面積為2 cm2，測試壓力為0.05 MPa，測試溫度為25℃，每組數(shù)據(jù)結(jié)果均為重復(fù)測試3次以上的平均值，誤差在±5%以內(nèi)。配制組成為N2/C3H6或C3H6=80%/20%的混合氣模擬真實(shí)氣體混合氣，來評(píng)價(jià)復(fù)合膜對(duì)真實(shí)氣體的滲透性能和穩(wěn)定性。

氣體滲透速率可以由式(1)表示：

其中P為氣體的滲透速率，單位為GPU(1 GPU = 10-6cm3(STP)cm-2s-1(cmHg)-1)；F為組分標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的滲透氣體的體積流量，單位為cm3×s-1；為膜的有效面積，單位為cm2；D為膜上下兩側(cè)的壓差，單位為cmHg。

氣體透過致密聚合物膜是基于溶解擴(kuò)散機(jī)理，可以用式(2)表示：

其中為溶解系數(shù)，為氣體的擴(kuò)散系數(shù)。在一定條件下，氣體的溶解系數(shù)與氣體可壓縮性有關(guān)[14,15]，氣體越易壓縮，溶解性越大，氣體的擴(kuò)散系數(shù)與氣體分子尺寸有關(guān)，氣體分子的尺寸越小，擴(kuò)散性越大[16~20]。

膜的分離性能可以用選擇性定義：

3 結(jié)果與討論

3.1 支撐體結(jié)構(gòu)對(duì)膜性能和結(jié)構(gòu)的影響

在A、B組分配比為10:1，固化時(shí)間為24 h，制膜液濃度為15% 的制膜條件下，制備了PDMS均質(zhì)膜以及兩種支撐體制備的PDMS復(fù)合膜，并對(duì)其進(jìn)行了氣體滲透性能測試，結(jié)果如表1所示。

表1 支撐體對(duì)PDMS膜氣體滲透性能的影響

可以看出，與PDMS均質(zhì)膜相比，在保持較高選擇性的條件下，采用鋼網(wǎng)為支撐體所制備的PDMS復(fù)合膜，其氣體滲透速率明顯提高；兩種鋼網(wǎng)所制備的PDMS復(fù)合膜的氣體滲透性能差異較大，由2#鋼網(wǎng)制備的PDMS復(fù)合膜的氣體滲透速率明顯地高于由1#鋼網(wǎng)制備的PDMS復(fù)合膜。

圖3給出了兩種結(jié)構(gòu)鋼網(wǎng)支撐體及其所制備的PDMS復(fù)合膜的掃描電鏡照片?？梢钥闯?，兩種鋼網(wǎng)支撐體的結(jié)構(gòu)都比較規(guī)則，網(wǎng)孔大小均一，經(jīng)緯直徑一致，其中2# 鋼網(wǎng)的表面致密度和平整度比1# 略高(圖2(a)和(c))；2# 鋼網(wǎng)的厚度比1# 小，鋼絲之間結(jié)合的更加緊密(圖3(b)和(d))。

圖3 不同支撐體與PDMS復(fù)合膜的掃描電鏡照片

(a) (b) 1# mesh; (c) (d) 2# mesh; (e) (f) PDMS/1# mesh composite membrane; (g) (h) PDMS/2# mesh composite membrane

從圖3(e)和(g)中可以看出，復(fù)合膜的表面均勻無缺陷，鋼網(wǎng)的經(jīng)緯清晰可見，而且經(jīng)緯分布與支撐體的表面形貌幾乎一致(圖3(a)和(c))，說明在制備過程并沒有對(duì)鋼網(wǎng)原有的柔性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)造成破壞，其中圖3(g)中鋼絲的經(jīng)緯比(e)中更清晰，說明2# 支撐體表面致密性高，均勻度好，由其制備的復(fù)合膜表面的PDMS擔(dān)載量更少。從圖3(f)和(h)可以看出，PDMS膜層貫穿于整個(gè)鋼網(wǎng)中，鋼網(wǎng)的孔隙及表面均被PDMS材料完全填充，支撐體與聚合物緊密結(jié)合在一起，鋼網(wǎng)基本處于支撐膜的中心位置，形成膜層較薄、結(jié)構(gòu)均勻完整的內(nèi)嵌柔性支撐體的PDMS復(fù)合膜。PDMS在支撐體中分布的均勻性是保證復(fù)合膜氣體分離性能的重要因素，因此，所制備的復(fù)合膜其氣體分離選擇性與均質(zhì)PDMS膜相當(dāng)(如表1所示)。此外，2# 支撐體制備的復(fù)合膜的網(wǎng)格間PDMS厚度比1# 復(fù)合膜低約1/2，這意味著2# 復(fù)合膜的氣體滲透阻力比1# 復(fù)合膜低得多，將表現(xiàn)出更高的氣體滲透通量，該結(jié)果與表1的規(guī)律相吻合。

3.2 PDMS雙組份配比對(duì)膜氣體分離性能的影響

在固化時(shí)間為24 h，制膜液濃度為15% 的條件下，考察PDMS雙組份的配比對(duì)PDMS/2# 鋼網(wǎng)復(fù)合膜氣體滲透性能的影響，如圖4所示?？梢钥闯?，隨著B組分即交聯(lián)劑含量的增加，氣體在膜中的滲透速率降低。這是因?yàn)殡S著交聯(lián)劑含量增加，以交聯(lián)狀態(tài)存在具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物增多，增加了PDMS復(fù)合膜致密程度；同時(shí)交聯(lián)劑增加使制膜液的黏度增大，提高了支撐體上聚合物的擔(dān)載量，膜厚度增大，因而增加了烴類氣體在膜內(nèi)傳遞時(shí)的滲透擴(kuò)散阻力，導(dǎo)致了氣體滲透速率的降低。此外，交聯(lián)劑含量的增加，對(duì)不同氣體的滲透速率的影響程度也不一致，C3H8和C3H6氣體的滲透速率降低明顯，而N2則不明顯，因此造成氣體的選擇性先增加后降低結(jié)果。當(dāng)A:B = 10:1時(shí)，C3H8/N2和C3H6/N2的選擇性均達(dá)到最高，分別為12和21，此時(shí)C3H8和C3H6的滲透速率分別為106和178 GPU，可見，選擇適宜的交聯(lián)劑含量對(duì)制備高性能PDMS復(fù)合膜是十分重要的。

圖4 A/B組份配比對(duì)PDMS復(fù)合膜氣體滲透性能的影響

3.3 固化時(shí)間對(duì)膜氣體分離性能的影響

在A、B組分配比為10:1，制膜液濃度為15% 的條件下，考察固化時(shí)間對(duì)PDMS/2#鋼網(wǎng)復(fù)合膜氣體滲透性能的影響，如圖5所示?？梢钥闯觯袒瘯r(shí)間的延長，氣體的滲透速率在明顯降低后逐漸趨于穩(wěn)定，而C3氣體/N2的選擇性則呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢。說明延長固化反應(yīng)時(shí)間，有利于PDMS雙組份反應(yīng)趨于完全，使PDMS復(fù)合膜形成更發(fā)達(dá)的聚合物三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)變得更加致密，C3氣體在膜內(nèi)的傳遞阻力增大，導(dǎo)致滲透速率降低，選擇性提高。當(dāng)固化時(shí)間達(dá)到5 h后，滲透速率和選擇性均不改變，說明此時(shí)固化反應(yīng)結(jié)束，膜的結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定?？梢?，固化時(shí)間對(duì)PDMS復(fù)合膜氣體滲透性能有較大的影響。

圖5 固化時(shí)間對(duì)PDMS復(fù)合膜氣體滲透性能的影響

3.4 制膜液濃度對(duì)膜氣體分離性能的影響

在A、B組分配比為10:1，固化時(shí)間為5 h的條件下，考察不同的制膜液濃度對(duì)PDMS/2#鋼網(wǎng)復(fù)合膜氣體滲透性能的影響，如圖6所示?？梢钥闯觯?0%~30%，隨著制膜液濃度的增加，C3H8和C3H6的滲透速率均出現(xiàn)顯著地降低，分別由106降低到22 GPU，178降低到28 GPU，同時(shí)C3H8/N2和C3H6/N2的分離選擇性降低的程度不一樣，分別由12.74降低到10.23，21.32降低到14.16，C3H6/N2的選擇性下降更明顯。由于氣體在聚合物膜內(nèi)的滲透機(jī)制遵循溶解-擴(kuò)散機(jī)理[14,15]，涂膜液濃度增加，致密度增加，雖然C3H8和C3H6的溶解度有一定程度的增加，但PDMS的厚度卻增加得更明顯，加長氣體在膜內(nèi)的傳遞擴(kuò)散路徑，提高擴(kuò)散阻力，使氣體的擴(kuò)散速率明顯降低。相對(duì)于溶解能力的提高，擴(kuò)散阻力的增加對(duì)氣體擴(kuò)散速率的影響更加顯著，占主導(dǎo)地位，因而使復(fù)合膜的氣體滲透速率呈下降趨勢。因C3H6的擴(kuò)散系數(shù)大于C3H8的擴(kuò)散系數(shù)[21,22]，擴(kuò)散能力對(duì)其的影響比C3H8要大一些，其復(fù)合膜的滲透速率降低幅度比C3H8大。因此，C3H6/N2的選擇性隨濃度增加而降低的幅度比較明顯。當(dāng)濃度為10%(wt) 時(shí)，PDMS在支撐體上的擔(dān)載量過少，無法形成完整的致密膜層，氣體的滲透速率非常大，無選擇性。

圖6 濃度對(duì)PDMS復(fù)合膜氣體滲透性能的影響

3.5 PDMS復(fù)合膜對(duì)混合氣體的分離性能及其穩(wěn)定性

為了探討所制得的PDMS復(fù)合膜對(duì)(真實(shí)氣體)混合氣的滲透性能和長期運(yùn)行穩(wěn)定性，本工作測試了復(fù)合膜對(duì)模擬烴類混合氣的滲透分離性能(N2: C3H6/C3H8= 4:1)，如圖7所示。

圖7 PDMS復(fù)合膜對(duì)混合氣體的分離性能及其穩(wěn)定性

可以看出，與純氣體相比，混合氣體的C3氣體通量及C3/N2選擇性均有一定程度的降低，其原因主要是混合氣存在競爭滲透使氣體的滲透通量均有一定的降低，而C3氣體引發(fā)的PDMS基質(zhì)溶脹效應(yīng)則有利于N2的滲透使其通量增加，從而使C3/N2選擇性也降低，這一點(diǎn)與文獻(xiàn)[23]結(jié)果是一致的。100 h的滲透實(shí)驗(yàn)表明，盡管在測試中C3氣體的滲透通量有一定的波動(dòng)，但基本保持在一定范圍內(nèi)，說明所制備的PDMS復(fù)合膜滲透穩(wěn)定性良好。

4 結(jié) 論

以柔性鋼網(wǎng)為支撐體，采用浸漬法使PDMS與支撐體融為一體形成互穿結(jié)構(gòu)、成功地制備了可卷曲的高性能內(nèi)嵌柔性支撐體PDMS復(fù)合膜，探討了其對(duì)C3烴類氣體的分離性能。研究表明，所制備的柔性PDMS復(fù)合膜對(duì)C3烴類氣體表現(xiàn)出良好的氣體滲透分離性能；支撐體的經(jīng)緯結(jié)構(gòu)對(duì)所制備的PDMS復(fù)合膜氣體滲透性能有較大的影響；制備工藝參數(shù)如配比，固化時(shí)間，濃度選擇與控制對(duì)制備PDMS復(fù)合膜的氣體分離性能起關(guān)鍵性作用。在最佳制備條件下，PDMS復(fù)合膜對(duì)C3烴類氣體如C3H8和C3H6的滲透速率分別為106和178 GPU，C3H8/N2和C3H6/N2的選擇性分別為12和21，對(duì)于C3/N2混合氣同樣表現(xiàn)出良好的氣體滲透分離性能和長時(shí)間滲透穩(wěn)定性。說明PDMS復(fù)合膜是理想的分離C3烴類氣體的膜材料，具有潛在應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] WANG Jian-hong (王建宏), CHEN Jia-qing (陳家慶), CAO Jian-shu (曹建樹). Study on hydrocarbon VOCs recovery by composite membrane (硅橡膠復(fù)合膜回收烴類VOCs研究) [J]. Enviromental Engineering (環(huán)境工程), 2010, 28(S1): 424-427.

[2] Raharjo R D, Freeman B D, Paul D R,. Pure and mixed gas CH4and-C4H10permeability and diffusivity in poly (dimethylsiloxane) [J]. Journal of Membrane Science, 2007, 306(1-2): 75-92.

[3] Fang M, Wu C, Yang Z,. ZIF-8/PDMS mixed matrix membranes for propane/nitrogen mixture separation: experimental result and permeation model validation [J]. Journal of Membrane Science, 2015, 474: 103-113.

[4] Lue S J, Tsai C L, Lee D,. Sorption, diffusion, and perm-selectivity of toluene vapor/nitrogen mixtures through polydimethylsiloxane membranes with two cross-linker densities [J]. Journal of Membrane Science, 2010, 349(1-2): 321-332.

[5] TANG Ming (湯明), XIAO Ze-yi (肖澤儀), SHI Xiao-yan (史曉燕). Application and development of membrane technology in hydrocarbon separation from mixed gas (膜技術(shù)在含烴類氣體分離中的研究及前景) [J]. Filtration and Separation (過濾與分離), 2005, 15(4): 21-23.

[6] Javaid A. Membranes for solubility-based gas separation applications [J]. Chemical Engineering Journal, 2005, 112(1-3): 219-226.

[7] TIAN Zhi-zhang (田志章), LI Yi-fan (李奕帆), JIANG Zhong-yi (姜忠義),. Facilitated transport membranes for biogas upgrading (用于生物氣提純的促進(jìn)傳遞膜) [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (化工學(xué)報(bào)), 2014, 65(5): 1594-1601.

[8] SUN De (孫德), LI Bing-bing (李冰冰), XU Zhen-liang (許振良). Preparation and pervaporation performances of PTFE-PDMS/PVDF composite membranes (PTFE-PDMS/PVDF復(fù)合膜制備及其滲透汽化性能) [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities (高校化學(xué)工程學(xué)報(bào)), 2013, 27(3): 500-505.

[9] CHEN Zhen (陳鎮(zhèn)), LIU Jia-qi (劉家祺). Study on the PV mass transfer model of removal of VOCs from water (水中脫除VOC滲透汽化傳質(zhì)模型的研究) [J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities (高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)), 2004, 18(1): 7-12.

[10] FANG Zhi-ping (方志平), JIANG Zhong-yi (姜忠義). Pervaporation separation of phenol aqueous solution using cyclodextrin polymer-filled PDMS membranes (聚環(huán)糊精填充PDMS滲透蒸發(fā)膜分離苯酚水溶液) [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (化工學(xué)報(bào)), 2006, 57(4): 843-848.

[11] HAN Xiao-long (韓小龍), ZHANG Xing-mei (張杏梅), MA Xiao-xun (馬曉迅),. Pervaporation performance of carbon nanotube filled PDMS membranes (碳納米管填充PDMS膜的滲透汽化性能) [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (化工學(xué)報(bào)), 2014, 65(1): 271-278.

[12] Ramaiah K P, Satyasri D, Sridhar S,. Removal of hazardous chlorinated VOCs from aqueous solutions using novel ZSM-5 loaded PDMS/PVDF composite membrane consisting of three hydrophobic layers [J]. Journal of Hazardous Materials, 2013, 261: 362-371.

[13] XU Guo-qiang (徐國強(qiáng)), YU Jiang (余江), WANG Kang (王康),. Preparation of montmorillonite filled PDMS hybrid membrane and its pervaporation on ethanol over water (蒙脫石-聚二甲基硅氧烷復(fù)合膜制備及其乙醇/水分離性能) [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (化工學(xué)報(bào)), 2007, 58(2): 391-395.

[14] Stevens N S M, Rezac M E. Nanoporous organic/inorganic hybrid materials produced from poly(dimethyl siloxane) [J]. Polymer, 1999, 40(15): 4289-4298.

[15] Jannatduost E, Babaluo A A, Abbasi F,. Surface modification of nanocomposite ceramic membranes by PDMS for condensable hydrocarbons separation [J]. Desalination. 2010, 250(3): 1136-1139.

[16] Sadrzadeh M, Amirilargani M, Shahidi K,. Gas permeation through a synthesized composite PDMS/PES membrane [J]. Journal of Membrane Science, 2009, 342(1-2): 236-250

[17] REN X L, REN J Z, LI h,. Permeation characteristics of light hydrocarbons through poly(amide-6--ethylene oxide) multilayer composite membranes [J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2013, 21(3): 232-237.

[18] Merkel T C, Bondar V I, Nagal K,. Gas sorption, diffusion, and permeation in poly(dimethylsiloxane) [J]. Journal of Polymer Science Part B-Polymer Physics, 1999, 38: 415-434.

[19] Fang M, Zhang H, Chen J,. A facile approach to construct hierarchical dense membranes via polydopamine for enhanced propylene/nitrogen separation [J]. Journal of Membrane Science, 2016, 499: 290-300.

[20] Kim H, Kim H, Kim S,. PDMS–silica composite membranes with silane coupling for propylene separation [J]. Journal of Membrane Science, 2009, 344(1-2): 211-218.

[21] Jiang X, Kumar A. Performance of silicone-coated polymeric membrane in separation of hydrocarbons and nitrogen mixtures [J]. Journal of Membrane Science, 2005, 254(1-2): 179-188.

[22] Jiang X, Kumar A. Silicone-coated polymeric membrane for separation of hydrocarbons and nitrogen at sub-ambient temperatures [J]. Journal of Membrane Science, 2006, 286(1-2): 285-292.

[23] Sadrzadeh M, Shahidi K, Mohammadi T. Effect of operating parameters on pure and mixed gas permeation properties of a synthesized composite PDMS/PA membrane [J]. Journal of Membrane Science, 2009, 342: 329-340.

Preparation of PDMS Composite Membranes with Flexible Supports and Their Performance in C3Hydrocarbon Gases/N2Separation

WANG Hong, LI Lin, WANG Chun-lei, WANG Tong-hua

(Carbon Research Laboratory, State Key Lab of Fine Chemicals, School of Chemical Engineering,Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Polydimethylsiloxane (PDMS) composite membranes with flexible stainless steel mesh support were fabricated by dip-coating, and the morphology of the supports and composite membranes were characterized with scanning electron microscope. Effects of preparation conditions on the separation performance of C3hydrocarbon/N2were investigated. Compared with unsupported PDMS membranes, the PDMS composite membranes with flexible support exhibits similar gas selectivity but significantly increase of gas permeation rates, excellent flexibility and mechanical properties. The support structure affects their gas separation performance and the composite membrane with incompact structure shows better gas separation performance. Preparation conditions such as ratio between monomer and crosslinking agent, curing time and concentration of PDMS precursor have great effects on the gas separation performance of the composite membranes. The best gas separation performance can be achieved asN2= 8 GPU,C3H8= 106 GPU,C3H6= 178 GPU,C3H8/N2= 12 andC3H8/N2= 21 under optimized preparation conditions. The prepared PDMS composite membranes exhibit good separation performance and long-time permeating stability for hydrocarbon gases.

PDMS composite membrane; embedded; flexibility; gas permeation

1003-9015(2016)05-1036-07

http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1141.TQ.20160826.1553.002.html

TQ174

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.00.026

2015-12-14；

2016-03-21。網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-08-26 15:53:20

國家自然科學(xué)基金(21276035，21376037，21436009，21576035，21506020)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(DUT16RC(4)05)。

王鴻(1992-)，女，遼寧撫順人，大連理工大學(xué)碩士生。通訊聯(lián)系人：李琳，E-mail：lilin121@dlut.edu.cn