化石燃料的燃烧导致地球大气中CO₂浓度的增加，**变暖已成为主要的环境问题。因此，开发经济**的CO₂捕集工艺具有重要的研究意义。目前CO₂分离技术主要有吸收、吸附、低温分离和膜分离。在这些技术中，由于具有低能耗、高热稳定性和机械稳定性等优点，聚合物膜被广泛用于O₂/N₂、H₂/N₂、He/N₂、H₂/CH₄和CO₂/CH₄的气体混合物分离。但膜的工业应用却受到聚合物膜反渗透和选择性的限制。因此，各种用于提高气体分离聚合物膜的性能的方法被提出来，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)是一种具有良好化学强度的耐用柔性聚合物，由于其聚合物链的低流动性而具有较低的气体渗透能力。因此，尽管PVC在各个行业中得到了广泛的应用，但PVC膜在气体分离方面的应用并不常见。但如果将PVC膜进行改性，就有可能获得高气体渗透性的膜。

基于此，大不里士大学的Abbas Mehrdad等人通过接枝1-乙烯基-3-丁基咪唑溴盐([VBIm][Br])，1-乙烯基-3-丁基咪唑四氟硼酸盐([VBIm][BF₄])，1-乙烯基-3-丁基咪唑硫氰酸盐[VBIm][SCN]对PVC改性，提高了PVC膜的透气性，并用于分离CO₂/CH₄混合气体。

图1. 合成示意图

（图片来源：Separation and Purification Technology）

研究人员通过红外光谱对所合成的离子液体聚合物进行了表征，发现在2965cm^-1、1640–1730 cm⁻¹、1519  cm⁻¹处的吸收峰分别为咪唑环上的C-H、C=C、C=N伸缩振动，这也说明了该聚合物的成功合成。并且元素分析仪测试表明该聚合物的接枝率接近3.7％。

图2. 不同阴离子对CO₂和CH₄透过离子膜的影响

（图片来源：Separation and Purification Technology）

研究人员发现PVC[VBIm][X]离子膜对CO₂的渗透性高于CH₄气体，这可能是由于扩散和溶解度系数的差异。然而，CO₂和CH₄的动力学直径的差异较小。因此，可以认为气体的溶解是膜渗透的主要机制。

图3. 温度对气体选择性的影响

（图片来源：Separation and Purification Technology）

研究人员对影响气体渗透的条件进行了测试，发现随着压力升高CO₂和CH₄的渗透率都降低，但是选择性有所提升，这也说明在较高压力下，相对于扩散现象，气体渗透过程中溶解起着主要作用。研究人员还发现随着温度的升高，膜内气体的透过率增大，然而CO₂/CH₄的选择性降低。因此，可以在较低的温度和较高的压力下获得更好的气体选择性。

图4. 阴离子对气体选择性的影响

（图片来源：Separation and Purification Technology）

此外，研究人员对阴离子的影响进行了探究，发现与[Br]^-和[BF₄]^-阴离子相比，[SCN]^-阴离子改性的聚合物膜显示出更好的CO₂气体分离性能，这可能是由于CO₂与[SCN]^-阴离子之间具有更强的相互作用。同时具有不同阴离子[Br]^-、[BF₄]^-和[SCN]^-阴离子的PVC-[VBIm][X]离子聚物膜在分离CO₂/CH₄方面的性能优于PVC膜。

综上所述，研究人员将离子液体聚合物膜用于CO₂/CH₄的混合气体分离，并且取得了良好效果，有望进一步提高其实用性。

原文链接：

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

原文作者：

Abbas Mehrdad, Narmin Noorani

DOI: 10.1016/j.seppur.2019.05.086