[发明专利]一种具有支化网络结构的聚乙烯胺膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有支化网络结构的聚乙烯胺膜及其制备方法和应用。所述膜是由聚乙烯亚胺修饰的埃洛石管复合材料和聚乙烯胺基质所构成，其中，聚乙烯亚胺修饰的埃洛石管复合材料和聚乙烯胺基质的质量比为（0.1‑5.0）：100。本发明首先采用静电自组装技术将支化网络结构的聚乙烯亚胺负载到埃洛石纳米管上，然后将聚乙烯亚胺修饰的埃洛石纳米管复合材料与聚乙烯胺共混得到铸膜液，并涂覆到微孔滤膜的表面制得具有支化网络结构的聚乙烯胺功能膜，该功能膜的厚度为1‑100µm。本发明中聚乙烯亚胺修饰的埃洛石纳米管能够降低聚乙烯胺分子链的结晶；具有支化网络结构的改性埃洛石纳米管均匀分散在聚乙烯胺膜中，为CO₂提供快速传递通道。

技术领域

本发明涉及一种具有支化网络结构的聚乙烯胺膜及其制备方法和应用，属于化学工程膜分离技术领域。

背景技术

聚乙烯胺膜是一种典型的固定载体膜，其分子链上含有大量的伯胺以及仲胺基团，可与CO₂发生可逆化学反应，优先传递CO₂，因而具有较高的CO₂选择性传输能力。聚乙烯胺膜制备工艺简单、原料成本低，可大规模制备，具有良好的工业应用前景，是CO₂分离膜领域的研究热点。但是由于聚乙烯胺膜内的胺基氢键作用较强，结晶度高，使得气体分子在聚乙烯胺膜内的扩散性较差。此外，CO₂在固定载体膜中传递是通过载体的摆动来实现的。但是由于膜内结晶度较高，分子链运动性差，胺基载体只能被动接受CO₂，并且只在很小的范围内进行摆动，传递效率较低。

发明内容

为了能够降低聚乙烯胺的结晶度，同时解决载体的等待效应，本发明提供了一种具有支化网络结构传递通道的聚乙烯胺复合功能膜。本发明还提供了所述聚乙烯胺膜的制备方法和应用。将该膜应用于CO₂/N₂的分离，结果表明，具有较高的CO₂渗透速率和分离因子。

本发明中所用的聚乙烯亚胺的分子链为支化网络结构；聚乙烯亚胺在水溶液中显正电，埃洛石纳米管在水溶液中显负电，根据吸附电中和原理，具有支化网络结构的聚乙烯亚胺可以被吸附到埃洛石纳米管的内外管壁，形成一种具有支化网络结构的复合材料；并将具有支化网络结构的复合材料掺杂到聚乙烯胺中，制得具有支化网络结构的聚乙烯胺膜。该膜具有支化网络结构通道，适用于化学分离工程。

本发明提供了一种具有支化网络结构的聚乙烯胺膜的制备方法，首先将支化网络结构的聚乙烯亚胺负载到埃洛石纳米管上，然后将聚乙烯亚胺修饰的埃洛石纳米管复合材料与聚乙烯胺共混得到铸膜液，并涂覆到微孔滤膜的表面制得具有支化网络结构的聚乙烯胺功能膜，该功能膜的厚度为1-100µm。

上述制备方法包括以下步骤：

（1）取微孔滤膜作为支撑膜，在20-30°C、1-5%的表面活性剂水溶液中浸泡24-72h，清洗干燥后待用，命名为产物A；

（2）制备聚乙烯亚胺修饰的埃洛石纳米管复合材料：将聚乙烯亚胺加入到去离子水中，配制成浓度为0.1-1.5g/L的聚乙烯亚胺水溶液；在温度为25 °C、转速为50-200rpm的磁力搅拌条件下，将埃洛石纳米管加入到上述的聚乙烯亚胺水溶液中，得到聚乙烯亚胺与埃洛石纳米管的混合溶液，持续搅拌10-180min，使得聚乙烯亚胺负载到埃洛石纳米管上；然后将聚乙烯亚胺修饰的埃洛石纳米管复合材料的水相悬浮液抽滤、洗涤，在60 °C的真空烘箱中干燥24 h，得到固体状聚乙烯亚胺修饰的埃洛石纳米管复合材料，命名为产物B；

其中产物B中聚乙烯亚胺和埃洛石纳米管的质量比为（0.1-10）：100；

（3）制备铸膜液：

取聚乙烯胺与产物B，溶于去离子水中，在20-50KHz的频率下超声分散0.5-2h，然后在温度为25-35°C、转速为50-200rpm磁力搅拌条件下，持续搅拌2-12h，得到均相铸膜液；