包裹离子液体的中空纤维用于气体脱水

包裹离子液体的中空纤维用于气体脱水

在气体和蒸汽分离工业中，膜技术被认为是一种极具优势的分离工艺，可节约能源并实现可持续发展。以气体或蒸汽分离为目标的膜材料开发和表征经常以干燥原料流为研究对象，但水蒸气的传输以及不同湿度下CO2、N2和CH4的选择性和渗透性与实际应用密切相关。一般的脱水技术运行成本较高，因为脱水剂的运行和再生需要大量能源。此外，这些方法还会造成温室气体的排放，包括与能源转换相关的氯氟烃和环境影响。因此，迫切需要创新高效的技术来克服这些限制，以满足不断发展的需求。

膜技术具有能耗低、能有效分离多种气体混合物等优点，但它在选择性和渗透性的权衡之间仍具挑战，并且许多膜材料的性能在水的存在下会受到影响。为此，人们探索了各种聚合物膜材料，如与氧化石墨烯纳米片结合的Pebax®1657、NEXAR嵌段共聚物和包裹离子液体的聚二甲基硅氧烷。然而，在分析大型应用的竞争力时，必须考虑可扩展性和模块制造的简易性。中空纤维膜具高表面积-体积比、紧凑的模块化设计、更高的气体分离效率以及小型化模型，这些优点使它们成为各种工业应用的理想选择。

基于此，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的Suzana P. Nunes团队开发了一种具有聚醚酰亚胺多孔非对称结构的中空纤维膜（图1），该膜由Pebax®1657薄层和限制在多孔碳囊中的脯氨酸离子液体([N4,4,4,4][L-Pro])涂覆，用于有效分离包括H2O蒸汽、CO2、N2和CH4在内的气体。

图1. 中空纤维的表征（图片来源：J. Membr. Sci.）

碳囊的直径在500~900 nm，外壳厚度为150 nm（图2b,c）。当涂层数增加到5层时，涂布厚度从125 nm增加到2800 nm（图2d），这有助于提高选择性。为确保涂覆条件能产生无缺陷的选择层，研究者首先在不含囊的水/乙醇中用 Pebax®1657对中空纤维进行涂覆，聚合物浓度范围为0.5~4wt%（图2f-h）。结果显示，涂有0.5wt%溶液的膜渗透率为2100 GPU，选择性为2130。当在涂层溶液中加入0.25wt%的离子液体填充囊时，随着Pebax®1657浓度增加到2%，水蒸气渗透率和H2O/N2选择性也随之增加，而超过此值时变化则要小得多。

图2. 中空纤维涂层用于空气除湿的性能（图片来源：J. Membr. Sci.）

随后，研究者在不同的温度和湿度水平下进行了混合气体实验，以通过模拟不同的进料条件来提高该技术的适用性（图2）。图2a,b显示了涂有含有0.25 wt%离子液体填充囊的2% Pebax®1657溶液的中空纤维性能，证明了膜的选择性传输能力与温度有关。随着湿度的增加，所有膜结构的渗透率都在增加，这表明膜在潮湿条件下吸收和传输水分子的能力增强（图2c,d）。经过30天的长期运行后，膜的蒸汽通量仅下降了11.5%，总选择性下降了15%。

图3. 通过涂层中空纤维进行气体分离（图片来源：J. Membr. Sci.）

使用混合气体进行测试对实际应用至关重要，并且水的存在会影响亲水性膜的性能，因此研究者测量了含有不同湿度水平的混合气体的进料流的分离（图3）。结果显示，在高达40 SCCM的扫掠流速下，CO2/N2选择性从50增加到100。这种增强可归因于CO2和H2O渗透的驱动力增加。较高的扫掠流速有效地将渗透性较差的N2集中在进料侧，增强了膜对CO2的选择性。除了CO2/N2，CO2/CH4和H2O/CH4分离对沼气加工等应用具有重要意义。因此，研究者还探索了膜在沼气应用中的功效，强调了在不同扫掠流量下水蒸气渗透的稳定性，以及通过有针对性的CO2去除来战略性地提高CH4浓度。

总之，本研究将一种基于脯氨酸的离子液体包裹在碳囊中，分散在Pebax®1657基质中，并涂覆在聚醚酰亚胺中空纤维上。填充后的囊对水蒸气和CO2具有很高的吸附能力，有助于探索提升空气除湿以及烟气、天然气和沼气脱水工艺。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738824009840原文作者：Eyad Qasem,

Lakshmeesha Upadhyaya, Usman T. Syed, Radoslaw Gorecki, Liliana P. Silva, Pedro

J. Carvalho, and Suzana P. NunesDOI: 10.1016/j.memsci.2024.123390