摘要 

天然氣開采過程中會伴隨大量CO?，這降低了天然氣燃燒時產生的熱量，如何從天然氣中去除部分CO?是一個亟待解決的問題。

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

該研究針對天然氣開采中伴隨大量CO?導致燃燒放熱降低的問題，以乙基纖維素（EC）為基體、ZSM-5為無機分散劑，在*中通過高速攪拌與超聲振動輔助制備ZSM-5/EC混合基質膜，系統研究膜的成膜性能、耐熱性、機械性能及CO?/CH?分離選擇性，為無機分散劑改性有機基質膜提供理論依據。

 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、膜拉伸試驗機、厚度計、GTR Tec GTR-11氣體透過率測試儀、玻璃片、真空干燥箱

GTR Tec GTR-11氣體透過率測試儀

方法

ZSM-5/EC混合基質膜的制備

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

2. 稱取不同質量的ZSM-5（含量分別為1%對應18.2 mg、3%對應55.7 mg、5%對應94.7 mg、8%對應156.5 mg、10%對應200.0 mg），通過超聲振動輔助分散在THF中1 h，隨后將其加入上述EC溶液中。

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

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。

膜的表征與性能測試

1 結構與形貌表征

• 傅里葉變換紅外光譜（FTIR）：測定ZSM-5、純EC膜及ZSM-5/EC混合基質膜的分子結構。

• 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，觀察純EC膜及ZSM-5/EC混合基質膜的表面與截面形貌。

2 熱性能分析

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

3 機械性能分析

使用膜拉伸試驗機（CH-1-B）測試膜的機械性能，測試樣條長度50 mm、寬度20 mm，測試速度5 mm/min，通過厚度計測量膜厚度（107-156 μm），計算斷裂伸長率和拉伸強度。

4 氣體分離性能測試

采用GTR Tec GTR-11氣體透過率測試儀測試膜對CO?/CH?混合氣體的分離性能，測試溫度34℃，測試壓力49 kPa，以H?為載氣，通過氣相色譜法測定混合氣體的滲透系數，按以下公式計算：

1. 滲透系數 （單位：ml·cm·cm?2·s?1·cmHg?1），其中q為透過體積（ml），K為輔助修正系數（固定值2），L為膜厚度（cm），p為滲透壓力（cmHg），t為測量時間（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。

 結論 

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

CO2/CH4分離因子顯著優于純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。