Evaluation of Gas Permeance Performance Using Bi-layer Membrane

本研究使用橡膠態高分子(PDMS (聚二甲基矽氧烷)、Pebax(聚醚嵌段酰胺))與玻璃態高分子(PES (聚醚碸)、PS (聚苯乙烯)、CA (醋酸纖維素))、與離子液體[bmim][BF4]製備雙層薄膜，並應用於CO2/CH4分離。所得結果如下：(1) 純高分子薄膜部分，膜厚增加時氣體滲透permeance均因阻力變大而下降。在大於20 μm膜厚時，玻璃態高分子薄膜的CO2/CH4分離選擇率與滲透率不會隨著膜厚變化而改變，故此為臨界厚度。當玻璃態高分子膜厚為10 μm時，因氣體阻力降低，所以氣體滲透permeance大幅增加。(2) 雙層薄膜的部分，PDMS與玻璃態高分子、PDMS與離子液體所組成的雙層薄膜，其氣體滲透permeance由玻璃態高分子與離子液體層所主導。當玻璃態高分子膜厚≧20 μm時，PDMS/玻璃態高分子雙層薄膜之氣體滲透結果不受PDMS的厚度影響。而當10 μm 膜厚的玻璃態高分子塗佈一層PDMS薄膜後，氣體滲透permeance下降，但CO2/CH4分離選擇率則提升。可是，PDMS膜厚進一步增加，氣體滲透permeance與CO2/CH4分離選擇率也不再變化。而玻璃態高分子與玻璃態高分子所組成貼合式複合薄膜，因為每層的氣體阻力較大，所以其中一層厚度變厚時，氣體滲透permeance會隨之下降。(3) 藉由串聯阻力公式所得氣體滲透permeance與CO2/CH4分離選擇率之理論值與實驗值做比較，除了低於20 μm玻璃態高分子薄膜所組成的雙層薄膜外，偏差值皆在40%以下。In this study, various bi-layer membranes were prepared from rubbery polymer (poly dimethyl siloxane and polyether block amide), glassy polymer (polyether sulfones, polystyrene, and cellulose acetate), and ionic liquid ([bmim][BF4]) for the separation of CO2/CH4. The results are as follows: (1) Pure polymer membrane has the increased resistance and decreased permeance with the increased thickness. When the membrane thickness is greater than 20 μm, the gas permeability and CO2/CH4 selectivity of glassy polymer membrane are not changed with the increasing membrane thickness. On the other hand, the gas permeance for the 10 μm glassy polymer membrane has been enhanced greatly due to a big decrease in transport resistance. 20 μm is thus the critical thickness. (2) The results for the bi-layer membranes formed by PDMS/glassy polymer and PDMS/ionic liquid indicate that the gas permeance is dominated by the layer of glassy polymer or ionic liquid. Accordingly, the gas performance of bi-layer PDMS/glassy polymer membrane with a 20 μm glassy polymer layer is not influenced by the addition of various thickness of PDMS layer. When the thickness of glassy polymer layer is decreased to 10 μm, the gas permeance is reduced but the CO2/CH4 selectivity is enhanced for the addition of a thin PDMS layer. By further increasing the PDMS layer thickness, the gas permeance and CO2/CH4 selectivity of bi-layer membrane are not altered anymore. As for bi-layer glassy polymer/glassy polymer membranes, their gas permeance has been influenced by a change in the thickness of either layer. (3) The results calculated based on the resistance-in-series theory are compared with the experimental data for bi-layer membranes. It is found that the deviation errors are less than 40 %, except for the bi-layer membranes with a 10 μm glassy polymer layer.誌謝 I 中文摘要 II 英文摘要 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 緒論 1 第二章 文獻回顧 3 2.1 薄膜基本簡介 3 2.2薄膜製備方法 3 2.3 鑄膜液溶劑對高分子薄膜氣體滲透之影響 4 2.4 高分子薄膜於氣體分離上的運用 5 2.5 混合基材薄膜 8 2.5.1 混合基材薄膜基本介紹 8 2.5.2混合基材薄膜的製備過程 12 2.5.3高分子與填充物的型態 14 2.5.4改善高分子與顆粒介面孔洞的方法 14 2.6摻混高分子薄膜 15 2.7多層複合高分子薄膜 19 第三章 實驗方法 21 3.1 實驗藥品、氣體、儀器 21 3.1.1 藥品 21 3.1.2 實驗用氣體 21 3.1.3 儀器 21 3.2 高分子薄膜製備 22 3.2.1不同膜厚之PDMS薄膜之製備 22 3.2.2 玻璃態高分子( PES、PS、CA、Pebax、PMMA)薄膜製備 22 3.2.3 PDMS/玻璃態高分子複合薄膜製備 23 3.3離子液體複合薄膜之製備 26 3.4高分子薄膜特性分析 26 3.4.1 薄膜厚度 26 3.4.2 薄膜熱重損失分析 26 3.4.3 薄膜玻璃轉換溫度 26 3.4.4 薄膜應力分析 26 3.4.5 SEM分析 27 3.5 氣體滲透實驗 27 3.5.1 滲透端體積量測 27 3.5.2純高分子薄膜與雙層薄膜氣體滲透實驗 28 3.5.3離子液體相關複合薄膜氣體滲透實驗 29 3.5.4混和氣體之氣體滲透實驗 30 第四章 結果與討論 34 4.1薄膜性質分析結果 34 4.1.1 薄膜厚度 34 4.1.2熱重損失分析結果 34 4.1.3微分掃描熱量計分析結果 34 4.1.4 場發射掃描電子顯微鏡(SEM)分析結果 35 4.2氣體滲透結果 35 4.2.1 氣體滲透端體積量測 35 4.2.2純高分子薄膜氣體滲透結果 46 4.2.2.1 厚度對純高分子薄膜氣體滲透結果之影響 46 4.2.2.2 10μm純高分子薄膜氣體側漏實驗 46 4.2.2.3 雙層薄膜不同搭配方式之氣體滲透分析 47 4.2.2.4串聯阻力機制 47 4.2.2.5 Robeson’s upper bounds的比較 47 4.2.3雙層薄膜氣體滲透結果 60 4.2.3.1 PDMS/玻璃態高分子複合膜與PDMS/離子液體雙層薄膜氣體滲透結果 60 4.2.3.2 玻璃態/玻璃態高分子雙層薄膜氣體滲透結果 60 4.2.3.3串聯阻力機制 61 4.2.3.4 PDMS/10μm CA與PDMS/離子液體混合氣體之氣體滲透結果 61 第五章 結論 81 參考文獻 82 附錄 8