[发明专利]一种适应中高浓度CO2

说明书

本发明公开了一种适应中高浓度CO₂高效捕集的膜分离技术，该技术从分子结构角度设计了PI薄膜，所述薄膜由六氟二酐和特殊制备的N¹‑(1,1:4'，1”‑三苯基]‑3‑基)‑N¹‑(4‑氨基苯基)苯‑1,4‑二胺的单体聚合而成。该结构中的‑CF₃基团通过强的吸电子效应提高链段刚性，大体积苯环侧基通过增大空间位阻降低了堆积密度，利用‑CF₃基团和苯环侧基的协同作用增加了PI薄膜的自由体积，提高膜的气体渗透性能，实现了CO₂高效捕集和膜分离。

技术领域

本发明属于高分子化学领域，更具体地为一种适应中高浓度CO₂高效捕集的膜分离技术。微孔材料由于自身刚性分子链的扭曲折叠等等会产生高比表面积的微孔结构，相应的膜材料具有优异的气体分离性能，将刚性扭曲的结构单元引入到聚酰亚胺主链中就得到自具微孔的聚酰亚胺。尤其涉及一种包含刚性扭曲单元的聚酰胺酸单体制备以及高分子聚酰亚胺的合成，用于CO₂高效捕集的分离膜。

背景技术

关于气候快速变化的报道强调了生态系统的风险和对人类生活的严重影响。人为温室气体在大气中的不断积累是导致气候快速变化主要原因之一。人为温室气体主要包括CH₄、NO_X和CO₂(后者约占人为温室气体的77％)。根据Keeling曲线1.88亿吨的CO₂排放，将会导致大气中CO₂含量升高1ppm。IPPC的报告预测，到2035年，CO₂浓度将升至450ppm，全球气温有可能上升2℃。2018年10月，IPCC发布的报告指出，与全球升温2℃相比，将全球变暖控制在1.5℃会更有利于人类和自然生态系统。进一步控制温度升高意味着我们会面对更大的挑战，同时也需要采取更多有效的措施。中国对世界承诺，与2005年相比，2030年单位国内生产总值CO₂排放量下降60％-65％CO₂排放量达到峰值并争取早日实现。CO₂的主要排放者是能源部门、钢铁和水泥工业，这些部门现有的缓解政策主要集中于提高能源效率过程、转向低碳密集能源、以及碳捕集和封存(CCS)技术。为了控制全球温度上升，实现CO₂的减排，大力开发和利用CCS技术成为一种必定的趋势。

CO₂捕集技术是指将CO₂从电厂、钢铁厂、煤化工厂等排放的烟气中分离出来，并避免CO₂直接排放到大气的一种技术。根据反应原理不同，CO₂捕集技术主要包括吸附法、吸收法、膜法和深冷分离法。根据CO₂的分压、工作条件和混合气体的组成，可以根据不同的来源，选择不同的技术捕获CO₂。

在CO₂捕集技术中，膜分离法是最有前途的环保方法之一。膜分离过程是以膜两侧的压力差异作为驱动力的压力驱动过程。膜分离捕集CO₂的原理是利用不同气体的扩散率、溶解度和吸附能力的差异将CO₂从混合气体中分离出来，因此在利用膜分离法捕集CO₂时不会发生物质相态变化。膜分离法的关键是膜材料的选择。根据膜的制备材料不同，可分为有机膜、无机膜和共混膜。目前研究较多的有机材料为聚酰亚胺(PI膜)。与传统CO₂捕集技术相比，膜分离法因分离性能高、成本低、环境友好等优点受到国内外研究者的广泛关注。但膜分离在工业上受到膜面积、寿命等条件限制，因此膜分离技术主要用于处理中小气量的CO₂捕集，在大型工艺中的应用还需要进一步提高膜的热稳定性、机械和化学稳定性。膜材料是膜分离法的关键。