用于二氧化碳和甲烷分离的聚醚酰亚胺复合氧化铝膜

《Separation and Purification Technology》：The polyetherimide composite alumina membranes for carbon dioxide and methane separations

研究真空辅助浸涂工艺对铝基复合管膜性能的影响，优化真空压力（>?1 bar）和干燥温度（110℃）实现PEI薄膜致密化，孔径4.6±0.1?，CO2/N2选择性达21.9±0.9，CO2/CH4达20.5±1.4。

　　本文探讨了一种新型的复合膜结构，即由聚醚酰亚胺（PEI）薄层和刚性氧化铝基底组成的无沟槽管状膜，用于气体分子筛分。该研究聚焦于通过真空辅助浸渍-涂覆工艺优化膜的制备条件，从而提高膜的分离性能和可重复性。传统聚meric膜虽然在气体分离领域已有广泛应用，但受限于材料特性，如物理老化、化学降解和塑化现象，难以同时实现高气体纯度和高通量。为此，研究者引入了具有独特化学结构的高性能聚合物，如具有内微孔结构的聚合物、全氟聚合物、热重组聚合物和聚酰亚胺，以突破分离性能的限制。

在众多聚酰亚胺中，聚醚酰亚胺因其优异的热稳定性、机械强度和抗塑化能力而受到广泛关注。此外，PEI也被证明在构建分子筛膜方面具有显著优势。例如，基于Ultem?的PEI中空纤维膜在二氧化碳/氮气（CO?/N?）和二氧化碳/甲烷（CO?/CH?）分离中表现出良好的选择性，其分离系数分别达到20-80。然而，这些膜的性能仍受到长期稳定性的制约。为了克服这一问题，研究者尝试将高选择性材料，如沸石或金属有机框架（MOF）与PEI膜结合，以提升分离性能。

目前，复合膜的制备方法主要包括刷涂、喷雾、连续涂覆和浸渍-涂覆等。其中，浸渍-涂覆因其简单、高效和可控的操作而被广泛采用。然而，传统浸渍-涂覆工艺往往导致膜层厚度增加，从而影响气体传递效率。为了解决这一问题，研究者采用真空辅助浸渍-涂覆工艺，通过调整真空压力和干燥温度，优化膜的结构和性能。实验结果显示，特定的合成条件下，如低真空（> -1 bar）和干燥温度（110°C），可以形成均匀且致密的PEI选择层，从而显著提升膜的分离性能。

在实际应用中，管状膜因其较大的表面积与体积比而备受青睐。相比传统的聚meric中空纤维膜，有机-无机复合膜在热、机械和化学稳定性方面表现更优，且具有再生和回收能力，更适合可持续应用。因此，研究者重点探讨了真空辅助浸渍-涂覆工艺对PEI膜结构的影响，包括膜层厚度、孔径分布和分离性能之间的关系。通过系统的参数研究，实验发现PEI涂层的厚度随着 dope 浓度的增加而增加，且在特定的真空压力和干燥温度下，膜层能够形成更均匀的结构，从而提高气体分离的选择性。

此外，研究还探讨了膜的表面形貌和内部结构对分离性能的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）分析，发现膜的截面结构清晰，PEI层均匀覆盖在氧化铝基底上。实验结果显示，经过三次涂覆的PEI膜层厚度从18.8 μm增加到38.1 μm，且在8 wt% 和10 wt% 的 dope 浓度下，膜层厚度相近，这可能是由于溶液的流变性相近所致。通过优化涂覆工艺，实验成功制备出具有特定孔径（4.6 ± 0.1 ?）的PEI膜，该膜能够选择性地传递氦气（He）、氢气（H?）和二氧化碳（CO?），同时排斥氮气（N?）和甲烷（CH?）。

综上所述，本文的研究为开发高性能、可重复的气体分离膜提供了新的思路和方法。通过系统研究真空辅助浸渍-涂覆工艺对PEI膜结构的影响，实验成功制备出具有优异分离性能的无沟槽管状膜。该研究不仅揭示了膜制备条件与分离性能之间的相关性，还为未来在工业气体分离领域应用此类膜提供了理论依据和技术支持。研究者相信，随着对膜结构和性能的深入理解，真空辅助浸渍-涂覆工艺将在气体分离膜领域发挥更大的作用。