用于CO2捕集的CO2/N2分离膜研究

CO2大量排放导致的温室效应是我国乃至世界面临的一个严峻的环境问题。CO2捕集与封存是减少CO2排放的有效方法。CO2捕集成本决定着CO2捕集与封存整个技术的经济性与可行性。膜法捕集CO2具有设备体积小、固定投资少、环境友好等优点，但目前的膜其透过性和选择性低，稳定性也有待提高，限制了捕集CO2膜技术的大规模应用。本项目将针对从电厂烟道气和钢铁、水泥等工业过程废气中捕集CO2的要求，深入研究CO2/N2分离膜的多种选择透过机制、各个层次结构与膜性能的关系、膜结构和性能随环境因素变化的规律，形成设计膜材料分子、调控膜结构、实现膜中多种选择透过机制并存的理论和方法，进而研制出性能更接近实用水平的CO2/N2分离膜。本项目将为实现我国捕集CO2膜技术的大规模应用从而控制温室气体排放奠定基础，同时还将促进我国在整个气体分离膜技术领域的研究进程，丰富膜科学与技术的基础理论。

本项目以膜技术捕集电厂烟道气和工业废气中CO2过程为应用背景，以提高CO2/N2分离膜的透过性、选择性和稳定性为目标，研究了CO2/N2分离膜实现和强化多种选择透过机制的关键结构和材料，发现了膜各层次结构与膜性能的关系，探明了膜结构和性能随环境因素变化的规律，证实了适用于CO2捕集的CO2/N2分离膜应具备两种或两种以上的选择透过机制，形成了综合调控多层次膜结构、实现多种选择透过机制在膜内共存、提高膜性能和稳定性的理论和方法，制备出了更接近实用水平的CO2/N2分离膜，膜的综合性能处于国际先进甚至领先水平。研究表明，膜内气体传递通道尺寸和形状特征是利用气体分子尺寸差异、实现和强化扩散选择机制和分子筛分选择机制的关键；膜内能与CO2发生物理亲和作用的离子和基团是利用气体分子冷凝性差异、实现和强化溶解选择机制的关键；膜内能与CO2发生可逆反应的离子和基团是利用气体分子反应性差异、实现和强化反应选择机制的关键。研究还表明，通过采用共混、共聚、涂覆和界面聚合等多种手段，可从原子和基团、分子链段和分子结构、分子聚集态以及宏观形态多个层次综合调控膜结构，由此形成含有功能原子基团或纳米粒子、分子硬软段合理搭配、适度交联且具有合适通道尺寸的理想膜结构，从而实现多种选择透过机制在膜内并存，制备出具有高透过性、高选择性和高稳定性的CO2/N2分离膜。进一步，针对极具应用前景的几类CO2分离膜，例如固定载体复合膜、聚酰亚胺中空纤维膜以及卷式炭膜，开展了膜的规模化制备研究，证实了本项目所研制的膜可以实现规模化生产。本项目成果为实现我国捕集CO2膜技术的大规模应用奠定了基础，同时还促进了我国在气体分离膜技术领域的研究进程，丰富了膜科学与技术的基础理论。