以聚苯胺納米材料和聚乙烯胺制備CO2分離膜的方法技術

本發明專利技術公開了一種以聚苯胺納米材料和聚乙烯胺制備CO2分離膜的方法。該方法過程包括，以聚砜或聚醚砜超濾膜為基膜，按聚苯胺納米材料水分散液和聚乙烯胺水溶液中的聚苯胺納米材料和聚乙烯胺的質量比共混制得涂膜液，將涂膜液涂覆在基膜上，在一定的溫度和相對濕度條件下干燥制得分離膜。該方法具有制膜工藝簡單易行，原材料價格低廉的特點，所制得的氣體分離膜對于CO2分離具有優異的滲透選擇性。制備得到的CO2分離膜的性能參數為：對于CO2/N2混合氣（CO2體積分數為15%～20%），CO2滲透速率為100～3100×10-6cm3(STP)·cm-2·s-1·cmHg-1，CO2/N2分離因子為21～240。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種以聚苯胺納米材料和聚乙烯胺制備CO2分離膜的方法，屬于氣體分離膜

技術介紹
固定載體膜是一種新型CO2分離膜，可以同時具有高CO2滲透性和選擇性。聚乙烯胺由于含有可與CO2發生可逆反應的伯胺基，是一種常用的固定載體膜材料。以聚乙烯胺(PVAm)為分離層、聚砜(PSf)或聚醚砜(PES)膜為支撐層制備的PVAm/PSf或PVAm/PES復合膜具有較優的CO2滲透選擇性能，然而要實現氣體分離膜的大規模應用，仍需進一步提高其滲透選擇性能。近幾年，一些國內外學者開展改性聚乙烯胺氣體分離膜以獲得高CO2滲透選擇性能的研究工作。其中，納米材料的添加被認為能擾亂高分子鏈段堆積，增加聚合物膜的自由體積，從而顯著增加聚合物膜的滲透速率。由于聚苯胺納米材料 含有氨基基團，它的添加不僅能增加聚合物膜的自由體積，還能提高CO2在膜內的溶解性，有利于制成具有優異性能的納米復合氣體分離膜。本申請的專利技術人之前發表的專利中(用于分離酸性氣體的強化聚乙烯胺固定載體復合膜及其制備方法，專利號ZL200910069314)提出以聚砜或聚醚砜為基膜，用聚苯胺納米纖維、氣相納米二氧化硅或乙二胺來改性聚乙烯胺，雖然與純聚乙烯胺膜相比，復合膜性能有所提高，但是仍然較難滿足工業捕集CO2的要求，聚合物膜CO2滲透選擇性能還有待進一步提高。納米材料的微觀形貌(如尺寸和維度)顯著影響著納米材料的比表面積和化學特性，進而對氣體分離膜結構和性能具有不同的調控機理和改性效果。本專利技術專利通過改變聚苯胺納米材料的制備條件(如單體濃度、表面活性劑濃度、反應溫度等)，制備得到多種不同形貌的聚苯胺納米材料(納米片、網狀納米纖維、半管狀納米纖維、納米棒)，并采用聚苯胺納米材料和聚乙烯胺制備得到CO2分離膜。聚苯胺納米材料不僅可以降低聚乙烯胺膜的結晶度，增加聚乙烯胺膜中有效載體濃度，還會利用聚苯胺納米材料的鏈間距離、摻雜/脫摻雜特性綜合提高膜的CO2滲透選擇性能。以聚苯胺納米材料和聚乙烯胺制備的CO2分離膜具有很高的CO2滲透選擇性能和良好的穩定性，適用于CO2分離的實際應用。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種以聚苯胺納米材料和聚乙烯胺制備CO2分離膜的方法。該方法具有制膜工藝簡單易行，原材料價格低廉的特點，所制得的氣體分離膜對于CO2分離具有優異的滲透選擇性。本專利技術是通過下述技術方案加以實現的，一種以聚苯胺納米材料和聚乙烯胺制備CO2分離膜的方法，其特征在于包括以下過程 (I)將質量分數為1°/Γ4%的聚乙烯胺水溶液與質量分數為1% 4%的聚苯胺納米材料水分散液按兩種溶液中聚乙烯胺與聚苯胺納米材料的質量比為f 10:1進行共混，所述的聚苯胺納米材料為納米片、網狀納米纖維、半管狀納米纖維或納米棒，在室溫下超聲攪拌，混合均勻制得涂膜液； (2)以截留分子量為500(Γ50000的聚砜或聚醚砜超濾膜為基膜，將步驟(I) 制得的涂膜液涂敷在基膜的表面，濕涂層厚度為50 ΜπΓ300 Mm,在溫度20 35°C和相對濕度30% 50%的恒溫恒濕環境中干燥，得到以聚苯胺納米材料和聚乙烯胺制備的CO2分離膜。本專利技術的優點在于，該CO2分離膜制備方法簡單易行，原材料價格低廉，可以利用聚苯胺納米材料的形貌、摻雜/脫摻雜特性同時強化固定載體膜的CO2滲透性和選擇性。所制得的CO2分離膜對于C02/N2混合氣(CO2體積分數為15% 20%)，CO2滲透速率為(100 3100) X 10 6 cm3 (STP) · cm 2 · s 1 · cmHg S CO2/N2 分離因子為 21 240。附圖說明 圖I為聚苯胺納米片的掃描電鏡圖。圖2為聚苯胺網狀聚苯胺納米纖維的掃描電鏡圖。圖3為聚苯胺半管狀聚苯胺納米纖維的掃描電鏡圖。圖4為聚苯胺納米棒的掃描電鏡圖。圖5為實施例4中以聚砜為基膜，以聚苯胺納米棒和聚乙烯胺制得的CO2分離膜的斷面結構掃描電鏡圖。具體實施例方式 實施例I: 配制質量分數為3%的聚乙烯胺水溶液，同時制備出質量分數為1%的聚苯胺納米片水分散液，聚苯胺納米片的厚度約為2(T80 nm。取聚乙烯胺水溶液3 ml和聚苯胺納米片水分散液I ml，混合制成涂膜液，其中聚乙烯胺與聚苯胺納米片的質量比為9:1。將聚砜超濾膜浸于1000 ml質量分數為O. 5%的十二烷基硫酸鈉水溶液中，室溫下浸泡24 h，再在去離子水中浸泡O. 5 h，干燥后備用。將上述配制的涂膜液涂敷于經過處理的聚砜基膜上，濕涂層厚度為200 μ m,然后置于溫度為30°C和相對濕度為40%的環境中干燥12 h,得到以聚苯胺納米片和聚乙烯胺制備的CO2分離膜。掃描電鏡觀察分離層厚度為O. 453 μπι。采用CO2和N2 (體積比為20:80)混合氣對其進行性能測試，當進料氣壓力為O. 11 MPa I. 5MPa 時，CO2 滲透速率為(586 100) X I(T6Cm3(STP) · cnT2 · s_1 · cmHg-1，C02/N2 分離因子為96 23。實施例2: 配制質量分數為3%的聚乙烯胺水溶液，同時制備出質量分數為1%的聚苯胺納米片水分散液，聚苯胺納米片的厚度約為20 ηπΓ80 nm。取聚乙烯胺水溶液28 ml和聚苯胺納米片水分散液17 ml，混合制成涂膜液，其中聚乙烯胺與聚苯胺納米片的質量比為83:17。將聚砜超濾膜浸于1000 ml質量分數為O. 5%的十二烷基硫酸鈉水溶液中，室溫下浸泡24 h，再在去離子水中浸泡O. 5 h，干燥后備用。將上述配制的涂膜液涂敷于經過處理的聚砜基膜上，濕涂層厚度為200 ym，然后置于溫度30°C和相對濕度40%的恒溫恒濕環境中干燥12 h，得到以聚苯胺納米片和聚乙烯胺制備的CO2分離膜。掃描電鏡觀察分離層厚度為O. 512 μπι。采用CO2和N2 (體積比為20:80)混合氣對其進行性能測試，當進料氣壓力為O. 11 MPa O. 7 MPa 時，CO2 滲透速率為(1200 309) X I(T6 cm3 (STP) · cnT2 · s_1 · cmHg-1，C02/N2 分離因子為120 21。實施例3 配制質量分數為3%的聚乙烯胺水溶液，同時制備出質量分數為1%的網狀聚苯胺納米纖維水分散液，網狀聚苯胺納米纖維是由多根聚苯胺納米纖維纏繞而成，每一根納米纖維直徑約為30 ηπΓ80 nm。取聚乙烯胺水溶液28 ml和網狀聚苯胺納米纖維水分散液17 ml,混合制成涂膜液，其中聚乙烯胺與網狀聚苯胺納米纖維的質量比為83:17。將聚砜超濾膜浸于1000 ml質量分數為O. 5%的十二烷基硫酸鈉水溶液中，室溫下浸泡24 h，再在去離子水中浸泡O. 5 h，干燥后備用。將上述配制的涂膜液涂敷于經過處理的聚砜基膜上，濕涂層厚度為200 μ m，然后置于溫度30°C和相對濕度40%的環境中干燥12 h，得到以網狀聚苯胺納米纖維和聚乙烯胺制備的CO2分離膜。掃描電鏡觀察分離層厚度為O. 683 μ m。采用CO2和N2 (體積比為20:80)混合氣對其進行性能測試，當進料氣壓力為O. 11 MPa I. 5 MPa時，CO2 滲透速率為(800 154) X I(T6 cm3(STP) · cnT2 ·本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種以聚苯胺納米材料和聚乙烯胺制備CO2分離膜的方法，其特征在于包括以下過程：（1）？？？？將質量分數為1%~4%的聚乙烯胺水溶液與質量分數為1%～4%的聚苯胺納米材料水分散液按兩種溶液中聚乙烯胺與聚苯胺納米材料的質量比為1~10:1進行共混，所述的聚苯胺納米材料為納米片、網狀納米纖維、半管狀納米纖維或納米棒，在室溫下超聲攪拌，混合均勻制得涂膜液；（2）？？？？以截留分子量為5000~50000的聚砜或聚醚砜超濾膜為基膜，將步驟（1）制得的涂膜液涂敷在基膜的表面，濕涂層厚度為50？μm~300？μm，在溫度20～35oC和相對濕度30%～50%的恒溫恒濕環境中干燥，得到以聚苯胺納米材料和聚乙烯胺制備的CO2分離膜。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王志，趙頌，趙娟，喬志華，王紀孝，王世昌，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：