用富勒烯残余烟灰制备炭分离膜的初步研究VIP免费

用富勒烯残余烟灰制备炭分离膜的初步研究周颖邱介山周杰郭树才摘要以富勒烯残余烟灰为原料，采用粘结成型炭化法制备出炭分离膜，目的在于考察富勒烯残余烟灰的有效利用途径。实验结果表明，富勒烯残余烟灰可以用来制备炭分离膜，制备工艺条件对膜性能有较大影响。关键词富勒烯残余烟灰炭分离膜制备分类号TQ028.8TQ127.11PREPARATIONOFCARBONMEMBRANEFROMFULLERENEWASTESOOTZhouYingQiuJieshanZhouJieGuoShucai(CarbonResearchLaboratory,DalianUniversityofTechnology,Dalian116012)ABSTRACTThecarbonmembranefromfullerenewastesootwaspreparedbymeansofbindermouldingmethods.Effectsofpreparationconditionsonbothidealseparationfactorandgaspermeationrateofcarbonmembranewerediscussed.Theresultsdemonstratethatfullerenewastesootcanbeusedasrawmaterialstoproducecarbonmembranes,andthepropertiesofcarbonmembraneareaffectedsubstantiallybythepreparationconditions.KEYWORDSFullerenewastesoot,Preparation,Carbonmembrane以C60为代表性分子的富勒烯自从1985年由Kroto等人［1］发现以来，由于其独特的结构，倍受世界各国学者的关注。十几年来的理论和实验研究，对富勒烯的物理化学性质及其应用研究已经取得了许多有益的结果。在制备富勒烯的各种方法中，电弧法［2］由于其操作简便，产率较高在国内外得到广泛应用。电弧法制备富勒烯时，石墨、煤基炭［3］等在一定的条件下放电蒸发为富勒烯烟灰，此烟灰为炭的混合物，经甲苯等溶剂萃取后得到C60/C70的黑色粉末，重量约为原富勒烯烟灰重量的2%～10%，而剩余90%左右的残余烟灰其结构和性质介于富勒烯和工业炭黑之间［4］。如何有效地利用炭质吸附剂的代用品用于工业和民用污水的处理［5］；将残余烟灰用CO2活化处理也可制得具有较高内表面积(约700m2.g－1)的炭分子筛材料［6］，其中大部分孔隙的直径小于0.5nm。烟灰的这些特点使它有可能成为制备炭分离膜的前驱体。膜分离是基于物质透过膜的速率不同，使混合物中组分得以分离、分级和富集。由于膜分离技术和分离过程中具有物质不发生相变化、分离系数大、设备简单操作等优点，在许多工业领域得到了广泛的应用。在诸多制备膜的原料中，炭作为一种新型膜材料，由于具有耐高温、化学稳定性好等优点，得到人们的高度重视［7，8］，成为众多学者竟相研究的热点。本文以溶剂萃取后的富勒烯残余烟灰为原料，采用粘结成型炭化法，探索其用于制备炭分离膜(以下简称炭膜)的可行性，考察了制备工艺条件对炭膜分离性能的影响。1实验部分1.1原料及预处理实验所用原料为萃取C60/C70后的富勒烯烟灰，研磨到160目备用。粘结剂为自制的酚醛树脂，其合成条件：甲醛和苯酚摩尔比为1.5:1，聚合温度为90℃，时间2h。所用甲醛和苯酚均为化学纯。1.2炭膜的制备实验所用成型设备为769YP-24B型粉末试样压片机。炭化装置为电热管式炉，加热系统采用YCC-1641程序升温控制器控制，图1为炭化装置的示意图。图1炭化装置Fig.1Schematicdiagramofcarbonizationapparatus1.N2cylinder；2.Needlevalve;3.Flowmeter;4.Electricfurnace5.Pipe-carbonizer;6.Thermocouple;7.Temperaturecontrolsystemandrecorder将富勒烯烟灰与粘结剂以一定的配比混合均匀后，在压片机上以一定的压力挤压成型，并在120℃烘箱中固化处理1h，然后将其置于管式炉中，在N2的保护下，以一定的升温速率加热至终温，恒温一定时间后自然冷却到室温，即得炭膜。1.3膜性能评价及结构表征炭膜的气体渗透性能测试装置如图2所示，所用测试气体CO2、H2、N2为高纯气体。气体渗透性能测试是将炭分离膜固定在渗透池内，来自钢瓶的气体经阀调节以一定的流量进入渗透池高压侧，经膜渗透后进入渗透侧。渗透气体的流量用皂泡流量计测定。图2气体渗透性能测试装置Fig.2Schematicdiagramofapparatusforgaspermeabilitymeasurement1.Gascylinder;2.Flowcontrolvalve;3.Controlvalve;4.Permeationcell;5.Carbonmembrane;6.Pressureguage7.Bubbleflowmeter气体渗透速率由下面公式计算：J＝Q／A.t.ΔP式中：J为纯气体组分的渗透速率，cm3.cm－2.s－1.Pa－...