摘要 

天然氣開(kāi)采過(guò)程中會(huì)伴隨大量CO?，這降低了天然氣燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量，如何從天然氣中去除部分CO?是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

齊齊哈爾大學(xué)的Shuangping Xu與大慶師范學(xué)院的Da Liu等團(tuán)隊(duì)合作，在《Materials Research Express》期刊上發(fā)表了一篇題為“Preparation and high CO2 /CH4 selectivity of ZSM- 5/Ethyl cellulose mixed matrix membranes"的研究論文。

該研究針對(duì)天然氣開(kāi)采中伴隨大量CO?導(dǎo)致燃燒放熱降低的問(wèn)題，以乙基纖維素（EC）為基體、ZSM-5為無(wú)機(jī)分散劑，在*中通過(guò)高速攪拌與超聲振動(dòng)輔助制備ZSM-5/EC混合基質(zhì)膜，系統(tǒng)研究膜的成膜性能、耐熱性、機(jī)械性能及CO?/CH?分離選擇性，為無(wú)機(jī)分散劑改性有機(jī)基質(zhì)膜提供理論依據(jù)。

 研究材料/儀器/方法 

材料

乙基纖維素、ZSM-5分子篩、*、氫氣、CO?/CH?混合氣體

儀器

傅里葉變換紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、熱重分析儀、膜拉伸試驗(yàn)機(jī)、厚度計(jì)、GTR Tec GTR-11氣體透過(guò)率測(cè)試儀、玻璃片、真空干燥箱

GTR Tec GTR-11氣體透過(guò)率測(cè)試儀

方法

ZSM-5/EC混合基質(zhì)膜的制備

1. 稱(chēng)取1.8 g乙基纖維素（EC）置于燒瓶中，加入20 ml*（THF），在室溫下通過(guò)高速攪拌與超聲振動(dòng)輔助使其溶解。

2. 稱(chēng)取不同質(zhì)量的ZSM-5（含量分別為1%對(duì)應(yīng)18.2 mg、3%對(duì)應(yīng)55.7 mg、5%對(duì)應(yīng)94.7 mg、8%對(duì)應(yīng)156.5 mg、10%對(duì)應(yīng)200.0 mg），通過(guò)超聲振動(dòng)輔助分散在THF中1 h，隨后將其加入上述EC溶液中。

3. 混合體系經(jīng)高速攪拌與超聲振動(dòng)輔助處理2 h，得到均勻混合的鑄膜液，經(jīng)200目過(guò)濾器過(guò)濾后，涂覆在潔凈的玻璃片上，室溫下蒸發(fā)溶劑。

4. 所得均勻薄膜（分別記為EC-ZSM1、EC-ZSM3、EC-ZSM5、EC-ZSM8、EC-ZSM10）在25℃真空條件下干燥12 h，完成膜的制備。

膜的表征與性能測(cè)試

1 結(jié)構(gòu)與形貌表征

• 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）：測(cè)定ZSM-5、純EC膜及ZSM-5/EC混合基質(zhì)膜的分子結(jié)構(gòu)。

• 掃描電子顯微鏡（SEM）：將膜在液氮中斷裂，噴鍍一層薄金后，在距離10 mm、電流90 mA條件下，觀(guān)察純EC膜及ZSM-5/EC混合基質(zhì)膜的表面與截面形貌。

2 熱性能分析

采用熱重分析儀（Q5000IRS）測(cè)試純EC膜及混合基質(zhì)膜的熱性能，將膜加熱至600℃，分析ZSM-5加入后膜的5%失重溫度及600℃時(shí)的殘留量變化。

3 機(jī)械性能分析

使用膜拉伸試驗(yàn)機(jī)（CH-1-B）測(cè)試膜的機(jī)械性能，測(cè)試樣條長(zhǎng)度50 mm、寬度20 mm，測(cè)試速度5 mm/min，通過(guò)厚度計(jì)測(cè)量膜厚度（107-156 μm），計(jì)算斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度。

4 氣體分離性能測(cè)試

采用GTR Tec GTR-11氣體透過(guò)率測(cè)試儀測(cè)試膜對(duì)CO?/CH?混合氣體的分離性能，測(cè)試溫度34℃，測(cè)試壓力49 kPa，以H?為載氣，通過(guò)氣相色譜法測(cè)定混合氣體的滲透系數(shù)，按以下公式計(jì)算：

1. 滲透系數(shù) （單位：ml·cm·cm?2·s?1·cmHg?1），其中q為透過(guò)體積（ml），K為輔助修正系數(shù)（固定值2），L為膜厚度（cm），p為滲透壓力（cmHg），t為測(cè)量時(shí)間（s），a為氣體滲透膜面積（固定值0.785 cm2）。

2. 分離因子 ，其中和分別為CO?和CH?的單氣體滲透系數(shù)。

 結(jié)論 

ZSM-5/EC混合基質(zhì)膜在1%和3%摻雜量下的斷裂伸長(zhǎng)率分別為22.36%和24.53%，拉伸強(qiáng)度分別為47.58 MPa和50.52 MPa。ZSM-5/EC混合基質(zhì)膜在1%和3%摻雜量下的斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度均優(yōu)于純EC膜（21.56%，44.53 MPa）。力學(xué)性能測(cè)試表明，當(dāng)ZSM-5摻雜量較低時(shí)， ZSM -5/EC混合基質(zhì)膜的斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度有所增加。ZSM-5/EC混合基質(zhì)膜在5%、8%和10%摻雜量下的斷裂伸長(zhǎng)率分別為11.23%、7.56%和4.16%，拉伸強(qiáng)度分別為35.23 MPa、25.34 MPa和19.26 MPa。ZSM-5/EC混合基質(zhì)膜在1%和3%摻雜量下的斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度均顯著弱于純EC膜（21.56%，44.53 MPa）。力學(xué)性能測(cè)試表明，隨著ZSM-5摻雜量的增加，ZSM-5的斷裂伸長(zhǎng)率和拉伸強(qiáng)度的提升呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

CO2/CH4分離因子顯著優(yōu)于純EC膜（8.2）。氣體分離性能表明，添加ZSM-5改善了CO2/CH4的分離性能。