炭膜是由高分子聚合物薄膜经真空或惰性氛围下高温热解炭化制备的膜材料。其内部具有超微孔和极微孔结构,主要以分子筛分机理进行气体分离。具有气体渗透通量高,气体选择性高,耐高温等优点,在气体分离领域具有强大的应用潜力。但炭膜的气体渗透性与工业要求尚存在一定差距,同时炭膜在进料或储存时对湿度的影响也相当敏感,在一定湿度条件下储存会显著降低炭膜的气体渗透性能。另外炭膜的气体分离研究主要集中在永久性气体氧氮等小分子气体的分离上,而针对应用广泛,能耗较大轻烃(烯烃烷烃)的分离研究尚少。乙烯,乙烷,丙烯,丙烷的分子尺寸与炭膜孔道尺寸相近,将炭膜应用于轻烃分子的分离也是其潜在应用方向。本文通过将前驱体聚合物与ZSM-5沸石颗粒,P25颗粒共混,制备杂化炭膜,通过在无机颗粒与炭层间形成界面孔隙及无机颗粒间形成的堆积孔隙,增加炭膜孔体积,减小气体渗透阻力,提高气体渗透通量。使用TG, SEM, XRD等表征杂化炭膜的热稳定性,杂化状态,炭层的微结构等。考察了无机颗粒添加量,炭化终温及颗粒团聚程度对炭膜气体渗透性能的影响。研究了沸石杂化炭膜在RH=40%(相对湿度)条件下放置气体渗透性能的变化,并通过热处理进行气体渗透性能的恢复。测试了沸石杂化炭膜及P25杂化炭膜对乙烯,乙烷,丙烯,丙烷的气体渗透性能,并探讨杂化炭膜对轻烃气体分离的规律。研究结果表明,沸石与炭基体复合良好,沸石在炭层中仍保持晶体结构,无机颗粒的掺杂可以有效的提高炭膜的气体渗透性能。在10-20wt.%范围内,沸石的含量增加,气体渗透性能提高,气体选择性略有降低。炭化终温提高,气体渗透性能下降,气体选择性提高；添加沸石的团聚程度减小,气体渗透性能提高,气体选择性也增加。其中沸石团聚程度为400nm,沸石添加量为10%,炭化终温为700℃的杂化炭膜其H2, CO2, O2,N2,CH4, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8气体渗透通量达1022.8,736.5,180,26.2,16.2,85.3,14.6,28.6,0.21Barrer, O2/N2选择性为6.9,气体渗透性能优良。沸石杂化炭膜在RH=40%条件下放置达60天时,气体渗透通量降低达90%,经过120℃热处理可以恢复70%的通量。P25引入炭膜中对炭膜气体渗透通量影响显著,随P25添加量的增加,气体渗透系数增加；P25添加量为20%,炭化温度为700℃的杂化炭膜其H2, CO2,O2, N2, CH4, C2H4, C2H6, C3H6, C3H8气体渗透通量达1769.2,1558.6,410.2,55.5,26.8,92.5,13.1,22.8,0.75Barrer,并保持O2/N2选择性为7.4。
