[发明专利]一种具有片层筛分通道的聚乙烯胺复合功能膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有片层筛分通道的聚乙烯胺复合功能膜及其制备方法和应用，将氧化石墨烯和聚乙烯胺的插层共聚物，溶于聚乙烯胺水溶液中分散成均一铸膜液，通过涂覆法在微孔滤膜的表面制备功能膜；所述插层共聚物的层间距的调控范围为8Å‑24Å。本发明通过将聚乙烯胺逐滴加入氧化石墨烯中，有效的插入氧化石墨烯片层，制备得氧化石墨烯和聚乙烯胺的插层共聚物，通过调整氧化石墨烯和聚乙烯胺的比例，能实现氧化石墨烯片片层间距的调控。将该复合功能膜应用于CO₂分离，具有较高的CO₂渗透速率和分离因子。本发明提供的制膜方法工艺简单、易操作、能有效提高聚乙烯胺膜的CO₂渗透性能和CO₂/CH₄和CO₂/N₂的选择性能。

技术领域

本发明涉及一种具有片层筛分通道的聚乙烯胺复合功能膜及其制备方法和应用，属于化学工程气体分离膜领域。

背景技术

含胺基的固定载体膜是一种新型的选择性吸附分离CO₂的聚合物膜，由于具有较强的选择性传输CO₂的能力、结构稳定、制备简单，成为研究热点之一。分离原理主要是利用小分子CO₂与膜表面的胺基载体之间发生可逆的络合反应形成中间化合物，CO₂由当前的载体跳跃至下一个未发生络合反应的载体并与之结合，在聚合物膜内迁移直至到达膜的下游侧。含胺基的固定载体膜对CO₂有高的选择性，有利于选择性分离回收CO₂。然而含胺基固定载体膜中大量胺基之间的化学作用力，会使聚合物的结晶，降低膜内的自由体积，从而导致小分子气体在膜中的扩散性能较差。

为了抑制聚合物的结晶，提高膜内的分子扩散性能，本发明制备具有筛分通道的含胺基聚乙烯胺复合功能膜。

发明内容

针对含胺基固定载体膜中聚合物结晶严重、CO₂在膜中扩散难的问题，本发明旨在提供一种具有片层筛分通道的聚乙烯胺复合功能膜及其制备方法，并将该复合功能膜应用于CO₂/CH₄、CO₂/N₂的混合气分离，结果发现，具有较高的CO₂渗透速率和分离因子。

本发明提供了一种具有片层筛分通道的聚乙烯胺复合功能膜的制备方法，将氧化石墨烯和聚乙烯胺的插层共聚物，溶于聚乙烯胺水溶液中分散成均一铸膜液，通过涂覆法在微孔滤膜的表面制备功能膜；所述插层共聚物的层间距的调控范围为8Å-24Å。

上述制备方法中，所述的微孔滤膜是支撑膜，主要是起到支撑作用，材质为聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的任何一种。支撑膜对分离效果没有影响，表层涂覆的功能层是分离膜的关键，功能层的制备效果直接影响CO₂的渗透性和选择性。

上述制备方法，包括以下步骤：

步骤一、通过Hummers法制备得1mg/mL-10mg/mL氧化石墨烯分散液；

步骤二、选取固含量为1mg/mL-10mg/mL的氧化石墨烯分散液，超声分散，形成均匀、稳定的水溶液；然后，逐滴加入质量百分比为15%-30%的聚乙烯胺水溶液，调控氧化石墨烯和聚乙烯胺的质量比为1:0.5到1:10，在10000r/min超声分散1-6 h，控制温度在15℃-35℃搅拌2-12 h，得到均匀的混合液，离心干燥后待用，命名为产物A；

产物A中经过聚乙烯胺插层调控后的氧化石墨烯的层间距为8 Å -24 Å；

步骤三、取5wt%-15wt%聚乙烯胺和产物A溶于水溶液中，超声使溶液均匀分散；其中产物A中氧化石墨烯的含量占到聚乙烯胺的0.1wt%-2.0wt%；