化石燃料的燃燒導致地球大氣中CO₂濃度的增加，**變暖已成為主要的環境問題。因此，開發經濟**的CO₂捕集工藝具有重要的研究意義。目前CO₂分離技術主要有吸收、吸附、低溫分離和膜分離。在這些技術中，由于具有低能耗、高熱穩定性和機械穩定性等優點，聚合物膜被廣泛用于O₂/N₂、H₂/N₂、He/N₂、H₂/CH₄和CO₂/CH₄的氣體混合物分離。但膜的工業應用卻受到聚合物膜反滲透和選擇性的限制。因此，各種用于提高氣體分離聚合物膜的性能的方法被提出來，其中接枝法是能**改善聚合物膜的性能的方法之一。

聚氯乙烯(PVC)是一種具有良好化學強度的耐用柔性聚合物，由于其聚合物鏈的低流動性而具有較低的氣體滲透能力。因此，盡管PVC在各個行業中得到了廣泛的應用，但PVC膜在氣體分離方面的應用并不常見。但如果將PVC膜進行改性，就有可能獲得高氣體滲透性的膜。

基于此，大不里士大學的Abbas Mehrdad等人通過接枝1-乙烯基-3-丁基咪唑溴鹽([VBIm][Br])，1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸鹽([VBIm][BF₄])，1-乙烯基-3-丁基咪唑硫氰酸鹽[VBIm][SCN]對PVC改性，提高了PVC膜的透氣性，并用于分離CO₂/CH₄混合氣體。

圖1. 合成示意圖

（圖片來源：Separation and Purification Technology）

研究人員通過紅外光譜對所合成的離子液體聚合物進行了表征，發現在2965cm^-1、1640–1730?cm^?1、1519 ?cm^?1處的吸收峰分別為咪唑環上的C-H、C=C、C=N伸縮振動，這也說明了該聚合物的成功合成。并且元素分析儀測試表明該聚合物的接枝率接近3.7％。

圖2. 不同陰離子對CO₂和CH₄透過離子膜的影響

（圖片來源：Separation and Purification Technology）

研究人員發現PVC[VBIm][X]離子膜對CO₂的滲透性高于CH₄氣體，這可能是由于擴散和溶解度系數的差異。然而，CO₂和CH₄的動力學直徑的差異較小。因此，可以認為氣體的溶解是膜滲透的主要機制。

圖3. 溫度對氣體選擇性的影響

（圖片來源：Separation and Purification Technology）

研究人員對影響氣體滲透的條件進行了測試，發現隨著壓力升高CO₂和CH₄的滲透率都降低，但是選擇性有所提升，這也說明在較高壓力下，相對于擴散現象，氣體滲透過程中溶解起著主要作用。研究人員還發現隨著溫度的升高，膜內氣體的透過率增大，然而CO₂/CH₄的選擇性降低。因此，可以在較低的溫度和較高的壓力下獲得更好的氣體選擇性。

圖4. 陰離子對氣體選擇性的影響

（圖片來源：Separation and Purification Technology）

此外，研究人員對陰離子的影響進行了探究，發現與[Br]^-和[BF₄]^-陰離子相比，[SCN]^-陰離子改性的聚合物膜顯示出更好的CO₂氣體分離性能，這可能是由于CO₂與[SCN]^-陰離子之間具有更強的相互作用。同時具有不同陰離子[Br]^-、[BF₄]^-和[SCN]^-陰離子的PVC-[VBIm][X]離子聚物膜在分離CO₂/CH₄方面的性能優于PVC膜。

綜上所述，研究人員將離子液體聚合物膜用于CO₂/CH₄的混合氣體分離，并且取得了良好效果，有望進一步提高其實用性。

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586619307439

原文作者：

Abbas Mehrdad, Narmin Noorani

DOI: 10.1016/j.seppur.2019.05.086