[发明专利]一种双功能化氧化石墨烯填充杂化膜及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种双功能化氧化石墨烯填充杂化膜及制备方法和应用，属于气体分离膜技术领域。

背景技术

工业上对分离和捕集CO₂形成规模化需求的过程主要有天然气(生物气)纯化(其核心为CO₂/CH₄分离)和发电厂燃烧尾气的CO₂捕集(其核心为CO₂/N₂分离)，主要的分离技术包括吸收、吸附和膜技术。这些分离过程大都通过调节温度、压力来提供推动力，属于能量密集过程，而高能耗是目前技术水平条件下碳捕集成本居高不下的最主要原因。开发高效率、低能耗的CO₂捕集技术是实现温室气体减排和能源气体净化的共性关键问题。膜技术因其高效、低能耗而成为最具发展前景的CO₂捕集技术之一，因此开发高渗透性、高选择性、低成本的CO₂分离膜材料则是膜技术用于CO₂捕集的重要需求。

高分子-无机杂化膜由于兼具高分子和无机膜材料的优点，且具有杂化后衍生的新优点，逐步成为膜和膜过程领域的前沿。高分子主体和填充剂多样的组合方式使得杂化膜在设计制备方面有较多的自由度和较大的发展空间。此外，促进传递膜也是目前最主流的一类CO₂分离膜，其中促进CO₂传递的载体通过共价键连接于高分子链上，解决了液膜、离子交换膜中的载体流失问题。氨基是最常见的促进传递载体，在水的参与下可与CO₂发生可逆反应，最终生成HCO₃^–。由于固定载体膜本身也是荷电膜，允许HCO₃^–高速透过，从而显著提高了CO₂的渗透速率以及CO₂透过膜的专一性。基于此，将高分子-无机杂化膜和促进传递膜相结合制备具有促进传递功能的杂化膜有望同时提高膜的渗透性和选择性。更进一步的醚氧键能与CO₂发生四极距相互作用，对CO₂具有较好的亲和力。醚氧键的引入很大程度上可提高膜对CO₂选择性。综上所述，通过对无机粒子同时进行氨基和醚氧键双功能修饰，引入对CO₂具有促进传递作用和高亲和力的功能团，可同时提高膜对CO₂的促进传递功能和亲和选择性，从而使膜具有高渗透性和高选择性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双功能化氧化石墨烯填充杂化膜及制备方法和应用。以此方法制备的双功能化氧化石墨烯填充杂化膜，用于分离CO₂/CH₄和CO₂/N₂混合气，在原料气和吹扫气加湿条件下，具有高渗透性和高选择性，其制备方法过程简单。

本发明一种双功能化氧化石墨烯填充杂化膜，该杂化膜厚度65-105μm，并由质量分数为60-98％的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物和0.5-20％的双功能化的氧化石墨烯组成，其中，聚氧乙烯链段占嵌段共聚物质量分数的55-60％，聚己内酰胺链段占嵌段共聚物质量分数的40-45％，双功能化氧化石墨烯选用的功能化试剂为聚乙烯亚胺和聚乙二醇。

上述本发明双功能化氧化石墨烯填充杂化膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、双功能化氧化石墨烯的制备：

采用Hummer法合成氧化石墨烯，称取干燥的氧化石墨烯纳米片于去离子水中超声分散1h得0.005g/mL氧化石墨烯溶液，按质量比为1：1，将N-羟基丁二酰亚胺和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺加入到氧化石墨烯溶液中，其中N-羟基丁二酰亚胺和氧化石墨烯质量比为1：0.2；然后加入聚乙烯亚胺，其质量和氧化石墨烯质量比为1：1，超声5min后室温下搅拌24h；获得的聚乙烯亚胺修饰的氧化石墨烯溶液在截留分子量为3500的透析袋中用去离子水透析去除未反应的聚乙烯亚胺；