COF-JLU2与离子液体结合的PVAm膜在潮湿条件下具有高选择性，可显著提升二氧化碳的分离效率

《Journal of Membrane Science》：COF-JLU2 and Ionic Liquid Incorporated PVAm Membranes for Enhanced CO2 Separation with High Selectivity under Humid Conditions

　　

作者：杨莉、陈卓楠、袁宏伟、陈刘、达里奥·R·德克尔（Dario R. Dekel）、何学忠

单位：广东理工学院（Guangdong Technion - Israel Institute of Technology）化学工程系，中国广东省汕头市大学路241号，邮编515063

摘要

基于聚（乙烯胺）（PVAm）的促进传输膜具有较高的二氧化碳（CO₂）选择性，但在潮湿条件下稳定性较差，性能也存在一定的权衡。本文报道了一种将离子液体（IL）与共价有机框架（COF）结合的策略，用于在PVAm膜中空间调控传输路径。COF-JLU2的引入通过其高吸附亲和力以及调节气体传输路径的作用促进了CO₂的分离，而离子液体则增强了载体的CO₂传输能力。这种结构整合提高了CO₂的吸附和传输效率，同时抑制了非选择性气体的渗透。结果表明，该混合膜在潮湿条件下的CO₂/N₂选择性超过了170，并且渗透性能得到了提升，优于传统的PVAm基系统。性能的提升归因于COF引入和PVAm-IL相互作用的综合效应，尽管本研究并未定量分离不同传输机制的单独贡献。工艺模拟进一步表明，基于该膜的燃烧后CO₂捕获具有潜在的应用价值（基于初步的技术经济评估）。然而，需要通过更详细的工艺模型以及长期稳定性和中试规模测试来全面评估其工业适用性。

引言

二氧化碳（CO₂）排放量的增加带来了严重的环境和社会挑战，迫切需要高效的碳捕获技术。基于膜的CO₂分离技术因其能源效率、紧凑的设计和操作灵活性而受到广泛关注[1]、[2]、[3]。然而，传统的聚合物膜受到渗透性与选择性之间权衡的限制，这阻碍了其大规模应用[4]、[5]。促进传输膜（FTMs）通过引入反应性载体（通常是胺类物质）提供了一种有前景的替代方案，这些载体能够选择性地与CO₂发生可逆反应。聚（乙烯胺）（PVAm）由于含有大量的胺基团，成为研究最广泛的FTM材料之一。PVAm的分子量和水解度（DOH）决定了胺基与甲酰胺的比例，对CO₂的传输和整体分离性能有重要影响。尽管PVAm基膜具有优势，但它们通常稳定性有限，对传输路径的控制也不够理想。为了解决这些问题，人们引入了各种纳米填料（如石墨烯、氧化石墨烯（GO）[6]、[7]、碳纳米管（CNTs）[8]、[9]、碳纳米晶体[10]、沸石[11]、金属有机框架（MOFs）[12]、[13]、共价有机框架（COFs）[14]、[15]和微孔有机材料[16]来构建具有增强传输性能的混合膜。其中，COFs因其晶体多孔结构、可调的孔径大小和高化学稳定性[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]而特别具有吸引力。然而，传统的二维COFs存在固有的挑战，包括孔径大于气体分子以及π-π堆叠导致的孔隙率降低，这限制了它们在精确气体分离方面的效果[18]、[23]。最近的研究策略侧重于通过引入功能基团或调节堆叠来定制COF的孔结构[24]、[25]、[26]，但同时实现可控的亚纳米级限制并增强传输能力仍然是一个重大挑战。

章节摘录

材料

2,4,6-三甲酰氟苯酚（≥97%）、肼水合物溶液（80%，AR级）、丙酮（≥99.5%，试剂级）和四氢呋喃（THF，≥99.5%）购自Aladdin（上海Aladdin生化科技有限公司，中国）。甲醇由GHTECH（广东光华科技有限公司，中国）提供。1-乙基-3-甲基咪唑铵（[EMIM][Gly]，96%）和乙酸（AcOH，AR级，99.5%）由上海Macklin生化科技有限公司（上海，中国）提供。PVAm...

IL、COF-JLU2和PVAm的合成

通过D₂O中的¹H NMR（核磁共振）光谱确认了PVAm的化学结构（图1）。特征共振峰分别出现在7.6-8.0 ppm（甲酰胺质子）、3.31-3.81 ppm（-CH质子）和1.6 ppm（-CH₂质子），与预期的骨架结构一致[39]。水解度估计为52%，表明聚（乙烯亚胺）部分转化为PVAm。离子液体相关的信号出现在3.4-4.0 ppm（-CH₂-）...

技术经济可行性分析

图5(g-i)和表S5总结了应用于水泥厂、燃煤电厂和天然气发电厂CO₂捕获的多阶段PVAm-IL₁-COF₄膜过程的模拟结果。使用UniSim模拟评估了关键性能参数，包括所需的膜面积、功率需求、特定成本、占地面积以及最终产品中的O₂含量。采用了约10的保守CO₂/O₂选择性，反映了大多数膜报道的有限选择性。

结论

成功制备了PVAm-IL-COF-JLU2复合膜，并证明了其作为促进CO₂传输的有效材料。胺介导的传输作用、COF-JLU2的强CO₂吸附亲和力以及离子液体[EMIM][Gly]的高吸附能力共同提升了CO₂的渗透性能，同时保持了对N₂的高选择性。多阶段工艺模拟表明，这些膜可以实现约95%的CO₂纯度...

CRediT作者贡献声明

陈刘：研究工作。达里奥·R·德克尔（Dario R. Dekel）：撰写、审稿与编辑、监督。袁宏伟（Hongwei Yuan）：研究工作。杨莉（Yang Li）：撰写、初稿撰写、方法学设计、研究工作、数据分析。陈卓楠（Zhuonan Chen）：研究工作。何学忠（Xuezhong He）：撰写、审稿与编辑、监督、方法学设计、资金争取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明在本研究中不存在利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

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