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拉瓦尔大学最新科研学术:气体渗透多孔聚合物膜超低成本

加拿大留学网  免费评估   来源:学在加拿大2022-05-25   编辑:小加   
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拉瓦尔大学最新科研学术:气体渗透多孔聚合物膜超低成本

拉瓦尔大学(法语:Université Laval)是继美国哈佛大学(1632年)之后北美历史最悠久的一所综合大学,它的建校历史可以追溯到1663年,最初是由新法兰西第一任主教拉瓦尔(François de Montmorency-Laval) 创建的魁北克神学研究院(le Séminaire de Québec),一个培训殖民地的牧师以及一些殖民地地区紧缺的职业人才的基地。1759年英国人征服新法兰西地区之后,魁北克神学研究院则把相应的培训拓宽到了各类自由职业。加拿大拉瓦尔大学

拉瓦尔大学培养了不少加拿大和国际著名人士,在政治方面有三名加拿大总理(路易·圣洛朗,马丁·布赖恩·马尔罗尼,让·克雷蒂安),八名魁北克省长,多名联邦政府和省政府的法官以及重要的政府官员和军官。在社会上的其他领域(企业家,医学家,科学家,经济师,作家,教授,记者,医生和律师等等),很多加拿大著名人士的母校也都是拉瓦尔大学。

拉瓦尔大学最新科研学术,在过去的四年中,膜气体分离行业的规模不断扩大。这种增长与具有更高选择性渗透性能的更有效膜的快速发展有关。用于气体分离的膜可分为致密结构或多孔结构。尽管已经使用了多孔材料,包括介孔二氧化硅和氧化铝,但聚合物受到高度关注,因为它们在广泛的条件(温度)下更具延展性(不易碎),具体取决于最终应用,例如气体分离、空气/水过滤和生物/生物医学净化

最近拉瓦尔大学的Denis Rodrigue教授团队制备了一种低成本的多孔聚合物膜,选择聚乙烯(PE)作为基质,而玉米淀粉(CS)用于通过浸出形成多孔结构。通过连续挤出-压延然后在80°C的20%乙酸水溶液中进行CS浸出来生产膜。对所得膜进行了完整的表征,包括形态和机械性能。工艺优化后,通过膜的气体传输特性基于纯气体渗透率确定,用于两种特定应用:沼气脱硫和富氧空气。在25°C和1.17 bar下的理想渗透性和选择性的气体分离结果表明,这些膜是工业应用的良好起点,因为它们成本低、易于生产并且可以进一步优化。

该工作以“A Low-Cost Porous Polymer Membrane for Gas Permeation”为题发表在《Materials》上。

/ 膜制备 /

第一步(混合)将LDPE和平均粒径为10μm的玉米淀粉混合。在双螺杆挤出机以获得均匀的LDPE/CS混合物。然后进行造粒并在50°C的烘箱中干燥24小时。考虑到加工方法(连续与非连续),一些样品也是通过压缩成型生产的

对于多孔结构的形成,每个膜通过去除(浸出)淀粉颗粒产生多孔结构。研究了几种条件,但在80°C下使用20%乙酸水溶液获得了最佳CS萃取,而在液相连续搅拌下,浸出时间固定为48小时。为了确认乙酸对颗粒浸出的影响,还将纯LDPE膜(0wt.% CS)浸入酸溶液中,在测试条件下没有观察到重量损失。这表明观察到的所有重量损失都与淀粉颗粒的水解去除有关

/ 淀粉以及浸出后LDPE膜形态的表征 /

作者首先通过SEM显微照片研究了淀粉以及浸出后LDPE膜形态, 显示玉米淀粉颗粒具有多面体形状和在室温下不溶于水的无定形和半结晶相之间的交替结构。淀粉的结晶度与支链淀粉的双螺旋链、结晶区的亲和力和分子间氢键有关。显示了 CS浸出后LDPE膜的SEM图像。可以看出,该膜具有微孔结构。仍有未提取的CS颗粒,证实未达到100%提取。然而,主要观察到开放孔允许良好的连通性,但一些封闭孔是可见的,这解释了为什么一些 CS 颗粒没有完全提取,因为它们被基质完全隔离(封装)。

/ 热性能分析 /

表明浸出后LDPE膜的熔融和结晶温度与纯LDPE相同,表明LDPE/CS共混物不相容。此外,没有观察到膜结晶度的显着增加(Xc = 17%),表明CS没有完全提取,并且两相不混溶或相互作用非常弱。在LDPE熔融过程中得到的104℃、114℃和 124 ℃的三重峰表明基体由不同尺寸和类型的晶体(成核类型不同)组成,表明少量的小CS剩余的粒子可以作为异质成核位点。

拉瓦尔大学最新科研学术:气体渗透多孔聚合物膜超低成本

/ LDPE膜的机械性能 /

呈现的应力-应变曲线。可以注意到,添加CS使LDPE的杨氏模量从84 MPa降低到68 MPa,拉伸强度从8 MPa降低到5 MPa。这些减少与两种成分之间缺乏相容性有关,因为它们具有不同的亲水/疏水特性(玉米淀粉与LDPE)。此外,添加CS后较低的LDPE拉伸强度再次表明组分之间的界面相互作用较弱,导致其界面出现机械故障。另一种解释与淀粉的内在特性有关。众所周知,玉米淀粉较脆,机械性能低。最后,由于多孔结构的形成,提取后的膜具有最低的拉伸性能。在这种情况下,可用于承受所施加应力的材料较少。

/ LDPE膜的渗透性 /

众所周知,纯LDPE具有低透气性,因为基质是致密的,并且具有一些充当气体屏障的结晶区,因此增加了渗透气体分子的曲折度和平均自由程。通过将CS添加到基质中,由于两种材料之间的相容性差和结晶度较低,在链/相之间产生了自由体积/孔隙率,渗透率增加。然而,在CS提取后,最终结构是一些封闭孔与互连孔网络的组合,导致更高的传输性能。多孔结构的产生增加了气体渗透性,导致更高的值,但选择性是分离应用的主要参数。由于选择性(α)和渗透性(P)之间总是存在权衡,因此将结果与标准Robeson上限进行了比较。这些结果表明,制备的膜可以作为这些气体(CO2/CH4,O2/N2和N2/CH4),这将是未来工作的重点。加拿大医博类大学

/ 总结 /

在这项工作中,提出了一种简单的方法来生产不含化学试剂或有毒溶剂的扁平多孔聚合物膜。作为第一步,原始LDPE被用作基质,玉米淀粉作为生物基可浸出颗粒。然而,为了降低生产成本并保持工艺的可持续性,可以使用回收的LDPE(或任何其他热塑性树脂)和/或其他可溶性生物基颗粒。该过程是一个连续的挤压-压延混合/成型步骤,再加上一个浸渍浸出步骤,以形成多孔结构。后者可以通过仔细选择粒度和浓度来优化/控制。在该工作中,使用50wt%的10μm商业玉米淀粉作为概念验证。优化后,选择稀乙酸水溶液(20%)去除CS的效率高(超过91%。总体而言,所提出的方法简单且经济,因为它基于低成本材料并且可以连续运行。DSC还表明,CS颗粒可以提高LDPE的结晶度,导致气体分子的路径更加曲折。最后,在标准条件下测量CO2、CH4、O2和N2的渗透结果。凭借这些特性,预计这些膜可以实现合理的分离性能,至少在实验室规模的应用中,例如沼气脱硫、富氧空气和天然气体净化。这些膜可单独用于与循环流接触的接触器中,以提高气体分离效率或用作多孔载体以涂覆活性层。也有可能通过改变模具几何形状使用类似的条件生产中空纤维。所有这些方面都将在未来的研究中进行调查。

长期以来,拉瓦尔大学为魁北克省、加拿大及整个北美地区培养了大批的人才,也塑造了魁北克省的法语世界。上个世纪60年代,在魁北克的宁静革命时期,许多先进思想的酝酿来自拉瓦尔大学的社会科学院的学者和学生,拉瓦尔大学为魁北克社会转型的需要提供了大量的人才。创建于1968年,拥有十所分校和教育机构的魁北克大学的多数骨干教师和教授主要来自拉瓦尔大学,拉瓦尔大学普遍被认为是北美地区高等教育尤其是法语教育体系的一个领先标准,也被认为是法语以及法国文化在北美洲保存的一个杰出代表。

在当下很多大学都热衷于追求在世界大学排名上的更高名次的活动中,许多有识之士也在质疑一些排名的背后是否隐藏了商业和政治因素,这些排名是否真正与大学的教学质量有关。“桃李不言,下自成蹊”, 拉瓦尔大学无视排名的低调应该是许多浮躁的院校学习的榜样。

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nick 全奖MBA

雅思满分(9分),拥有多年培训行业教学运营经验,擅长美加名校申请规划,辅导的学生大部分进入美国前30及加拿大前5名校。

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