氧化石墨烯支撐的納米受限離子液體膜在CO2分離方面的應(yīng)用

產(chǎn)業(yè)資訊 / Industry 2018年8月24日 14:00 4736

二氧化碳的分離和富集在當(dāng)下社會(huì)有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，而如何高效低耗地實(shí)現(xiàn)其分離和富集是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究方向。膜分離法作為一種新型的分離方式，以其綠色環(huán)保、低功耗、高效率的優(yōu)異特性成為分離領(lǐng)域的寵兒，但膜分離法天然存在著通量和分離比不可兼得的缺陷，為了盡可能緩解這對(duì)矛盾，浙江大學(xué)的彭新生教授、孔學(xué)謙教授和清華大學(xué)的徐志平教授團(tuán)隊(duì)共同合作，設(shè)計(jì)了一種以氧化石墨烯（GO）為支撐基底，將離子液體受限在GO的二維納米尺寸通道內(nèi)的薄膜，實(shí)現(xiàn)了CO2的高效分離。

近幾年來，利用GO片層堆垛而成的薄膜來實(shí)現(xiàn)分子或離子的分離得到了廣泛的研究。其中，有團(tuán)隊(duì)利用GO片層之間的水對(duì)CO2的高溶解度特性實(shí)現(xiàn)了CO2的有效分離，但是水的易揮發(fā)性以及流動(dòng)性極大地限制了薄膜在高溫環(huán)境下和長時(shí)間條件下的應(yīng)用。那么，如果有一種流動(dòng)性更弱、揮發(fā)性更低、沸點(diǎn)更高同時(shí)對(duì)CO2溶解度更高的液體來彌補(bǔ)上述水的缺陷，是否可以改善薄膜的分離性能和穩(wěn)定性呢？

基于上述猜想，浙江大學(xué)和清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，選擇了1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[BMIM][BF4]）這種離子液體來替代水制成以氧化石墨烯為支撐基底的薄膜（graphene oxide supported ionic liquid membrane， GO-SILM）。離子液體是一種飽和蒸汽壓低、粘度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、液態(tài)溫度范圍寬的綠色溶劑，同時(shí)對(duì)CO2又有很高的溶解度，在氣體分離領(lǐng)域已經(jīng)得到了很多研究，完美符合上述的所有需求。離子液體受限在GO的納米通道內(nèi)，一方面使氣體的傳輸機(jī)制由純GO膜的努森擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)槿芙鈹U(kuò)散機(jī)制，因此，離子液體對(duì)CO2較高的溶解度在CO2的分離過程中發(fā)揮了重要作用；另一方面，納米尺度的限制以及離子液體與GO的相互作用對(duì)離子液體本身的性質(zhì)也造成了一定程度的變化，影響了離子液體陰陽離子的分布以及對(duì)氣體的溶解和擴(kuò)散能力，進(jìn)一步提升了薄膜的分離性能。

得益于離子液體的獨(dú)特性質(zhì)，上述薄膜除了具有優(yōu)異的CO2分離性能：在保證CO2仍具有可觀的通量的條件下（68.5 GPU），CO2對(duì)H2，CH4和N2的分離比相較于其他基于GO的薄膜要高出7倍以上；還具有良好的長時(shí)間穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性：連續(xù)測試長達(dá)9天，分離性能沒有明顯變化；在100 ℃下分離比仍有室溫下的50%以上。因此，該薄膜具有很大的應(yīng)用潛力，同時(shí)也展示出二維納米孔道受限下的離子液體在氣體分離方面的良好研究前景。