[发明专利]一种聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜的制备方法及应用

权利要求书

1.一种聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜的制备方法，其特征在于：首先在稀盐酸溶液中，将羧基化多壁碳纳米管和苯胺在引发剂和超声的作用下制备聚苯胺表面修饰的碳纳米管复合材料，命名为聚苯胺@碳纳米管复合材料；然后将聚苯胺@碳纳米管复合材料插层到氧化石墨烯的片层之间，制得聚苯胺@碳纳米管/氧化石墨烯互穿网络结构碳复合材料；将制备的聚苯胺@碳纳米管/氧化石墨烯互穿网络结构碳复合材料和聚乙烯胺在水溶液中超声分散制得均相铸膜液，最后通过涂覆法在多孔支撑滤膜表面涂覆成膜，制得聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜；

所述的聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、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；

步骤二、制备聚苯胺@碳纳米管复合材料：

将苯胺和羧基化多壁碳纳米管加入到1-3mol/L的稀盐酸溶液中，超声分散0.5-2 h，得到溶液B；然后将过硫酸铵溶解在同浓度的稀盐酸溶液中配制成溶液C，混合两种溶液后超声反应2-8 h；反应结束后，产物用水和乙醇清洗至pH为3-5，干燥24-48 h得到聚苯胺@碳纳米管复合材料，命名为产物D；

步骤三、制备聚苯胺@碳纳米管/氧化石墨烯互穿网络结构碳复合材料：

取产物D加入到浓度为0.1-10 mg/mL的氧化石墨烯的水分散液中，超声2-12 h，使聚苯胺表面修饰过的碳纳米管插层到氧化石墨烯的片层之间，得到具有互穿型结构的聚苯胺@碳纳米管/氧化石墨烯分散液，命名为产物E；

步骤四、制备聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜：

将产物E超声1-8 h至均匀分散时，加入到聚乙烯胺水溶液中，继续超声搅拌1-8 h，得到聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜的铸膜液，命名为产物F；将产物F在产物A的表面涂敷成膜，控制涂层的湿厚度为30-300 µm；将湿膜置于人工气候箱内，在20-50 °C、相对湿度40-70 %下干燥12-24 h，得到聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜。

2.根据权利要求1所述的聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述的微孔滤膜是支撑膜，起支撑作用，截留分子量为5000-50000，材质为聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯中的任一种；所使用的表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、乙二胺中的任一种。

3.根据权利要求1所述的聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜的制备方法，其特征在于：所述的羧基化多壁碳纳米管是商业购买后直接使用。

4.根据权利要求1所述的聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤二中，羧基化多壁碳纳米管和苯胺的质量比为1：（1-20）；苯胺和过硫酸铵的质量比为1：（0.5-3）。

5.根据权利要求1所述的聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤二中，超声频率范围20-51 KHz，超声温度控制在15-20 ºC。

6.根据权利要求1所述的聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤三中，产物D和氧化石墨烯的质量比为1：（1-5）。

7.根据权利要求1所述的聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤四中，聚乙烯胺和产物E的质量比为1:(0.0025-0.05)。

8.一种采用权利要求1~7任一项所述的方法制备的聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜。

9.一种权利要求8所述的聚乙烯胺/互穿网络结构碳复合材料混合基质膜在分离CO₂/N₂混合气体中的应用，其特征在于：所述聚乙烯胺混合基质膜用于CO₂分离时，将膜固定在膜池中，膜的上游侧进料压力范围为0.1 MPa-2.0 MPa，气体渗透测试温度为20-80 °C，上游侧气体的湿度通过加湿罐调控，有效膜面积为1-12.56 cm²；在膜腔的下游侧采用高纯H₂作为吹扫气吹扫，吹扫气流速控制在 10-60 sccm，压力为1 bar，采用气相色谱对下游侧组分进行检测；将聚乙烯胺混合基质膜应用于CO₂/N₂的分离，选择性为56-157，渗透性为115-305GPU，其中1GPU=10^-6 cm³(STP) cm^-2 s^-1 cmHg^-1。