[01186434]金属负载型疏水性SiO2复合膜用于H2/CO2分离的研究

CO2造成的“温室效应”引起了世界各国的关注,成为温室效应气体削减与控制的重点。煤的使用是CO2的主要排放源,而氢能是一种理想的低污染或零污染的洁净能源。如果能将污染严重的煤高效率、集中地转化为洁净的氢气进行燃烧,必将使世界能源系统获得良性的可持续性发展。煤气化制氢技术是解决能源环境问题的有效手段,其关键技术涉及H2/CO2的分离。SiO2膜分离技术是目前公认的从H2/CO2混合气体中分离、提纯H2的有效方法。然而,普通SiO2膜水汽稳定性较差,在潮湿环境中长期使用时分离效果会逐渐降低。为此,国内外不少研究者正致力于提高SiO2膜疏水性的研究。 提高SiO2膜疏水性的方法有多种,但往往不能同时兼顾渗透速率和分离效率两项指标,气体选择性好的膜往往渗透速率较低。为了克服这一瓶颈,本研究团队开展了金属负载型疏水性SiO2复合膜的研究。本项目以甲基三乙氧基硅烷（MTES）为疏水性前驱物,对亲水性SiO2溶胶进行甲基化疏水改性,在甲基化改性的MTES-SiO2溶胶中掺杂金属盐溶液,制备金属负载型疏水性SiO2复合膜。研究制备亲水性SiO2膜适宜溶胶的条件参数和影响SiO2溶胶甲基化改性的关键因素及规律,确定稳定的疏水性SiO2膜中MTES和金属盐溶液的允许加入量,研究金属负载型SiO2复合膜材料的热稳定性和热分析动力学参数,阐明金属或金属氧化物粒子的形成规律和对甲基热稳定性的影响。通过气体渗透分离实验,揭示金属负载型SiO2复合膜的气体分离机理,并确定其最佳制备工艺条件。 本技术主要应用于石油、化学、化肥、煤化工以及电力工业等领域,用于含氢混合气体的分离。该项目所制备的亲水性TEOS-SiO2膜、nAg=0.08的Ag/MTES-SiO2膜和nPd=0.08的Pd/MTES-SiO2膜,经过6次浸涂后,在室温、0.3MPa压差条件下,H2渗透速率分别为2.10×10 6、5.27×10 6和6.52×10 6 mol·m 2·Pa 1·s 1,H2/CO2分离因子分别为5.01、5.38和6.02。在水汽稳定性方面,在水汽环境中陈化一周后的亲水性TEOS-SiO2膜H2渗透速率下降了53.7%,H2/CO2分离因子降低了4.4%,而nAg=0.08的Ag/MTES-SiO2膜和nPd=0.08的Pd/MTES-SiO2膜H2渗透速率仅分别下降了8.4%和7.9%,H2/CO2分离因子分别增加了2.1%和2.9%。可见,经过疏水改性和金属负载后,在增强水热稳定性的基础上,实现了对H2渗透速率和H2/CO2分离因子同时增大的突破。研究结果将有助于促进SiO2膜在煤气化制氢和其他含氢气体分离中的广泛应用,对于实现节能和CO2减排具有重要意义。 该项目于2015年获得陕西高等学校科学技术二等奖。