Synthesis and characterization of 6FDA/3,5-diamino-2,4,6-trimethylbenzenesulfonic acid-derived polyimide for gas separation applications

聚酰亚胺 选择性 渗透 巴勒 表面改性 聚合物 高分子化学 化学 二胺 三醋酸纤维素 促进扩散 气体分离 吸附 磺酸 磁导率 化学工程 有机化学 物理化学 催化作用 生物化学 图层(电子) 工程类 吸附
作者
Mahmoud A. Abdulhamid,Giuseppe Genduso,Xiaohua Ma,Ingo Pinnau
出处
期刊:Separation and Purification Technology [Elsevier BV]
卷期号:257: 117910-117910 被引量:53
标识
DOI:10.1016/j.seppur.2020.117910
摘要

A sulfonic acid-functionalized trimethyl-substituted polyimide was synthesized by reacting 4,4′-(hexafluoroisopropylidene)diphthalic anhydride (6FDA) and 3,5-diamino-2,4,6-trimethylbenzenesulfonic acid (TrMSA). The properties of 6FDA-TrMSA were compared to the related 6FDA-derived polyimide analogues made from 2,4,6-trimethylbenzene-1,3-diamine (6FDA-TrMPD) and 3,5-diamino-2,4,6-trimethylbenzene benzoic acid (6FDA-TrMCA). Compared to 6FDA-TrMPD and 6FDA-TrMCA, sulfonic acid functionalization resulted in significantly lower surface area, reduced fractional free volume, and tighter chain d-spacing. Consequently, 6FDA-TrMSA displayed lower gas permeabilities with a commensurate increase in permeability-based gas-pair selectivities. The enhanced CO2/CH4 selectivity of 6FDA-TrMSA was caused exclusively by higher diffusion selectivity, which was promoted by strong hydrogen bonding induced by the SO3H functionalization. Permeation experiments of 6FDA-TrMSA with a 1:1 CO2-CH4 mixture revealed the occurrence of competitive sorption effects (depressing CO2 gas permeability) and CO2-induced polymer matrix plasticization, which reduced the polymer selectivity by enhancing CH4 permeability. At ~20 atm total pressure, 6FDA-TrMSA showed a CO2 permeability of ~15 Barrer and an equimolar CO2/CH4 mixed-gas selectivity of 55, which are ~2-fold higher performance values than those of the state-of-the-art polymer used for industrial scale natural gas sweetening, i.e., cellulose triacetate.
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