[发明专利]一种锌离子功能化石墨烯填充杂化膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锌离子功能化石墨烯填充杂化膜及制备方法和应用。该膜是由聚醚嵌段酰胺共聚物和锌离子功能化石墨烯共混而成。其制备过程包括：先合成氧化石墨烯，然后用多巴胺对氧化石墨烯进行修饰，再络合上金属锌离子，从而得到锌离子功能化的石墨烯；配制聚醚嵌段酰胺共聚物溶液；将锌离子功能化的石墨烯填充到该聚醚嵌段酰胺共聚物溶液中制得铸膜液，室温下干燥成膜。本发明的优点在于，该杂化膜在温和环境下进行制备，绿色安全。实验方法简单可控，填充剂分散性良好，具有良好的机械稳定性和长期操作稳定性，用于CO₂/CH₄体系分离，能够在干燥环境中表现出良好的CO₂分离性能。

技术领域

本发明涉及一种锌离子功能化石墨烯填充杂化膜及制备方法及应用，属于气体分离膜技术领域。

背景技术

现今世界工业的迅速发展主要依赖于不可再生的化石燃料的快速消耗。然而其并非绿色环保的能源，已经对全球环境产生了诸多负面的影响，特别是CO₂的过量排放带来的显著的温室效应等已经越来越受到人们的重视。另一方面，富含甲烷、氢气的气态能源，如天然气、煤层气、生物气、油田气等，往往含有较多的CO₂，分离回收其中的CO₂、提高清洁能源的品位，不仅具有重大的生态价值，还具有重大的经济价值和社会价值。

与传统CO₂分离技术相比，气体膜分离技术因其具有投资少，能耗低，操作简便等优势而备受关注。研究开发具有良好CO₂渗透和选择性能的膜材料是提高膜分离技术竞争性的关键。膜材料本身的性能在膜分离过程中发挥着决定性的作用，近些年来，一系列有机膜、无机膜和杂化膜材料得到了广泛研究。与高分子膜相比，杂化膜渗透系数提高的主要原因为以下两个方面：一方面归功于多孔无机或有机材料的高CO₂渗透性，CO₂通过这些多孔材料中传输速度要远远高于CO₂在高分子基质中的传输速度；另一方面，无机颗粒能够对膜内高分子链的排布进行干扰，对膜的微观结构和自由体积进行调控和优化，提高膜的孔隙率，这有助于提高膜的CO₂渗透系数。此外，将CO₂促进传递基团添加到无机或有机材料表面，在膜内引入促进传递机制，能有效克服溶解扩散传递机制的局限性，进一步提高CO₂分离性能。因此，高分子-无机杂化膜在气体分离方面潜力巨大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锌离子功能化石墨烯填充杂化膜及其制备方法和应用。以此方法制备的锌离子功能化石墨烯填充杂化膜，用于分离CO₂/CH₄混合物，在干态下具有较好的CO₂渗透系数和CO₂/CH₄选择性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种锌离子功能化石墨烯填充杂化膜，该杂化膜的组分及质量分数为：97.5％-99.5％的聚醚嵌段酰胺共聚物，余量为锌离子功能化的石墨烯，所述锌离子功能化的石墨烯中锌离子在功能化石墨烯中的质量分数为34.2％；该杂化膜的厚度为85-100μm。

本发明一种锌离子功能化石墨烯填充杂化膜的制备方法，包括以下步骤：