[发明专利]气体分离膜及其制备方法、膜式气体分离装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体分离膜及其制备方法，属于膜分离技术领域。

背景技术

膜气体分离在化工、能源、环境、生物医学及制药工业有着极其广泛的应用。在能源科学中，高纯度的H₂和CH₄被视为燃料电池和氢能发电的基础材料。在环境科学中，抑制CO₂增多是改善温室效应的主要方向。 同样直接、低价、环保的在废气、油中再提取可使用的气、油是化工行业对于分离技术的新的要求和挑战。

与传统的冷冻蒸馏、变压吸附的分离技术相比膜分离技术具有节能，低价、安装使用维护简便，可标准化，节约空间以及环保等众多优势。复合薄膜(TFC)是目前气体和液相分离应用中使用最广的材料。尽管TFC有众多优势，在面临着更薄、更亲水，多孔的支撑体层等技术要求下， 面临重大的技术瓶颈。其次，在合成TFC膜的过程中，其界面聚合过程对化学药品、溶剂、支撑体、及反应条件都有极其苛刻的要求，膜的功能调制是一个非常大的挑战。这样超薄、高的热稳定性、优异的机械特性是膜科学研究及应用的主要方向。

新兴的二维氧化石墨烯是目前众多纳米材料中倍受关注的热点研究对象之一。从理论上来看，与传统无机膜材料相比，氧化石墨烯具有几个原子层的厚度、孔径和层间分布均匀、超高机械强度和高的热导率，几乎是理想的膜分离材料。然而氧化石墨烯却被广泛认为对气体和液体分子是完全不渗透的。单层厚度石墨烯在X-Y方向具有规则的二维平面六边形蜂窝网状和sp²杂化结构。石墨烯的六边形孔分布均匀但物理尺寸（< 0.2nm）小于所有常用气体分子的动力学直径（Ne ~0.26nm，H₂~0.289nm），以至于几乎不能渗透任何气相和液相分子。而氧化石墨烯膜在Z方向，由于他们致密的叠积方式和缺乏气体和液体的渗透通道，同样被认为不适宜作为膜分离材料。除此之外氧化石墨烯无官能团孔径和层间具有金属特性的局部电子态密度，被渗透分子在接近氧化石墨烯孔径和层间便会受到强的库仑排斥力，从而减小了氧化石墨烯的“有效”孔径和大大降低了分子渗透几率。

综上可知，气体膜分离技术亟需具有超薄、高的热稳定性、优异的机械特性，同时又能很好平衡渗透性与选择性之间的限制关系的气体分离膜材料及经济可行的制备工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种气体分离膜及其制备方法，该气体分离膜在具有超薄、高的热稳定性、优异的机械特性的同时，又能很好平衡渗透性与选择性之间的限制关系，且制备工艺简单经济，应用范围广，适于规模化量产。

本发明的气体分离膜，包括多孔基底以及附着于所述多孔基底至少一面的复合膜，所述复合膜为氧化石墨烯与聚合物支化聚乙烯亚胺（Polyetherimide，简称PEI）混合而成。

优选地，所述多孔基底的材料包括以下材料中的至少一种：聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚醚酰亚胺、醋酸纤维素、莫来石、氧化铝、二氧化锆。

优选地，所述多孔基底的平均孔径为20 nm ~ 2000 nm。

优选地，所述多孔基底的形状为片式、管式或者中空纤维式。

如上任一技术方案所述气体分离膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤A、分别配制氧化石墨烯分散液和聚合物支化聚乙烯亚胺溶液；

步骤B、将多孔基底表面打磨光滑并清洗烘干；

步骤C、将聚合物支化聚乙烯亚胺溶液涂覆于多孔基底表面，在空气中自然晾干后，加热固化；

步骤D、将氧化石墨烯分散液涂覆于步骤C所得到的多孔基底表面，在空气中自然晾干后，加热固化。

   以上技术方案可制备出具有单层复合膜的气体分离膜，在此基础上，还可根据实际需要进一步通过层层交叠涂覆的方法得到具有多层复合膜的气体分离膜，即以下技术方案：

    如上所述制备方法，还包括：

步骤E、重复执行步骤C和步骤D多次。

优选地，配制氧化石墨烯分散液的方法具体如下：将氧化石墨烯加入去离子水中，然后进行机械搅拌和/或超声波搅拌。

优选地，配制聚合物支化聚乙烯亚胺溶液的方法具体如下：将聚合物支化聚乙烯亚胺加入溶剂中，加热搅拌并进行脱泡处理，最后静置；所述溶液为水、乙醇、DMF、DMSO、甲苯、二甲苯中的任意一种。

利用本发明的气体分离膜还可得到以下技术方案：

一种膜式气体分离装置，包括膜组件单元，所述膜组件单元包括以上任一技术方案所述气体分离膜。