[发明专利]高效过滤膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高效过滤膜及其制备方法，该过滤膜包括：碳纳米管阵列；以及均匀负载于碳纳米管阵列中的碳纳米管上的富氨基改性剂。当气体或液体从碳纳米管中穿过时，可以实现有效的过滤和吸附；再配合富氨基改性剂，进一步提高吸附和过滤效果。再者，垂直碳纳米管阵列具有良好的趋向性，对气体或液体的流向有导向作用，由于碳纳米管阵列的高度可以根据生长条件来控制，从而可以针对不同环境来设计不同高度的碳纳米管阵列，使得吸附效果和容量都可控。

技术领域

本发明涉及过滤技术领域，具体涉及一种高效过滤膜及其制备方法。

背景技术

以二氧化碳为主温室气体的大量排放加速了全球气候变暖的趋势，造成生态破坏。因此，人们大量研究去除二氧化碳的材料。目前已经有多种二氧化碳去除的技术，但是，仍然存在着多种问题。

常规的二氧化碳去除方式有：物理吸附和化学吸附。化学吸附有金属化合物吸收法、醇胺溶液吸收法、分子筛变压吸附法、固态胺吸附法等。金属化合物吸收法利用金属氧化物碱性性质来吸收酸性的二氧化碳，同时生成碳酸氢盐，然后在高温下逆向反应实现再生。由于需要在高温条件下合成和再生，能耗比较大，且在极端低温和高压条件下二氧化碳的吸收能力会下降。醇胺溶液吸收法属于化学吸收，在低温下吸收二氧化碳，在高温下放出二氧化碳。然而，醇胺溶液吸收法存在毒性大、效率低、再生能耗高等问题，且对于二氧化碳浓度低于0.5％将很难吸收，氧气的存在还会造成吸收液中溶剂的降解，其降解产物易造成容器的腐蚀。分子筛变压吸附法通过变压或变温的方式实现再生，该方法仍存在的问题是，再生循环时间较长，分子筛的亲水性强，吸湿后易失效，需要在吸附床前增加干燥装置爱，从而增加了床重和流动阻力，造成清除系统的等效重量和能耗比变大；对氧气和氮气有一定的吸附能力，从而给分离带来一定款纳；由于分子筛的吸附能力取决于二氧化碳的分压，难以实现低浓度的二氧化碳吸附。固态胺吸附法通过嫁接、浸渍等手段在多孔材料基底上引入有机胺，固态胺与二氧化碳可逆形成氨基甲酸盐或者碳酸氢盐，并且通过加热或真空实现可逆再生，固态胺吸附具有很多优势，例如，再生能耗低，吸附容量大，选择性高，易操作等。因此，受到广泛关注和研究。

现有的固态胺吸附材料主要有，采用氨基硅烷对二氧化硅载体表面进行改性的二氧化碳吸附材料，以PMMS聚合物为基底的固态胺材料，由于聚合物基底的比表面积小，面临着组装成本高、体积大的缺点，同时由于聚合物基底的热熔和导热速率低，使得吸附剂在吸附和脱附过程中传热受到限制。并且，现有二氧化硅载体或聚合物载体的厚度均受到材料本身的限制，最终制备的器件厚度不可调，导致器件性能不可调谐的问题产生。

因此，开发新的具有大比表面积、制作简单、导热性好的多孔材料成为新研究方向。目前，关注较多的多孔材料基底有沸石、活性炭、碳纳米管、介孔分子筛、纤维、聚合物、硅胶等。碳纳米管作为新一代的碳功能材料，有着管径均一、比表面积大、导热性好、重量轻等优点，逐渐成为当前研究热点。将氨基改性的碳纳米管用于二氧化碳吸附具有很好的吸附选择性和导热率。

然而，目前对氨基改性碳纳米管用于二氧化碳吸附的研究主要关注的是在其表面引入氨基官能团以提高二氧化碳吸附效果，而忽视碳纳米管本身结构及其表面化学性质对氨基改性效果和二氧化碳效果的影响，从而造成现有的氨基改性碳纳米管的二氧化碳过滤效果并不理想，这是亟需解决的问题之一。

而且，目前的方法有浸渍法和嫁接法，浸渍法得到的有机胺分布不均匀，还会发生团聚，利用率不高，甚至会堵塞孔道，二氧化碳的传质受到限制，由于有机胺通过分子间作用力吸附在载体表面，而稳定性不高，随着再生次数的增加，吸附剂的吸附性能会因有机胺的挥发或分解而逐渐下降。嫁接法虽然热稳定性好、可以高度分散在载体表面，但是由于载体表面的含氧官能团的数量有限，引入的氨基基团总量也有限，导致嫁接法得到的吸附材料的吸附量降低。

因此，如何将氨基官能团有效牢固分散于碳纳米管表面且数量不受含氧官能团的限制，提高吸附量，是亟需解决的另一个问题。

发明内容