[发明专利]一种功能化的ZIF-8/嵌段聚醚酰胺复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于膜分离技术领域，具体涉及一种聚乙烯亚胺功能化的ZIF‑8/嵌段聚醚酰胺复合膜及其制备方法和应用。复合膜由聚合物支撑层、嵌段聚醚酰胺和聚乙烯亚胺功能化的ZIF‑8纳米颗粒构成。本发明复合膜的制备简单可控，制得的聚乙烯亚胺功能化的ZIF‑8/嵌段聚醚酰胺复合膜具有良好的COsubgt;2/subgt;/Nsubgt;2/subgt;气体分离性能，与纯嵌段聚醚酰胺膜相比，其COsubgt;2/subgt;渗透速率和COsubgt;2/subgt;/Nsubgt;2/subgt;选择性分别提升了80.6％和118.8％，该复合膜在烟道气捕获等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于膜分离技术领域，具体涉及一种聚乙烯亚胺功能化的ZIF-8/嵌段聚醚酰胺复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

大气层中不断增加的CO₂浓度是21世纪人类社会面临的主要挑战之一；并且煤和石油等化石燃料燃烧所排放的温室气体二氧化碳是造成温室效应的重要因素，温室效应可能导致全球气候恶化（全球变暖、极端天气条件、野生生物灭绝等）并且严重威胁人类的生命健康和包括人类在内的所有生命形式在地球上的生存。

CO₂分离技术在环境，能源和化工等领域的应用前景巨大，例如，烟道气脱除CO₂，沼气纯化等。传统的CO₂分离技术具有能耗高、环境不友好等缺点，而膜分离技术可以克服上述缺点且具有操作设备简单、占地面积小等优点，因而成为CO₂分离技术研究的热点。ZIF-8由具有四面体配位的锌离子和2-甲基咪唑配体通过配位键桥接构成，其理论窗口孔径仅为0.34 nm，具有较高的稳定性，大的比表面积及高的孔隙率，因此ZIF-8/聚合物复合膜的制备及应用受到广泛的关注，但其较差的界面相容性导致易产生界面缺陷，进而导致较低的气体分离选择性。嵌段聚醚酰胺是一种常见的商业化聚合物，大量研究表明向嵌段聚醚酰胺中加入ZIF-8纳米颗粒及功能化ZIF-8颗粒制备的复合膜可用于烟道气CO₂分离（CN105582823A）； Amedi等报道（Microporous Mesoporous Materials, 2017,247,124-135）了用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）修饰ZIF-8纳米颗粒来增加填充剂与Pebax链的相互作用，使复合膜的CO₂渗透速率得到了提高，但选择性基本不变。Hu等报道（ACSSustainable Chemistry  Engineering, 2018, 6(11),15341-15348）了以ZIF-8-90(50)为填充剂的ZIF-8-90(50)/Pebax-1657复合膜，ZIF-8-90(50)的混合配体为2-甲基咪唑和咪唑-2-甲醛，与纯Pebax-1657膜相比，复合膜的CO₂/N₂选择性仅仅提高了10%。上述复合膜依然普遍存在界面相容性差、易产生界面缺陷及较低的气体分离选择性的问题，因此本发明提出一种聚乙烯亚胺功能化的ZIF-8/嵌段聚醚酰胺复合膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚乙烯亚胺功能化的ZIF-8/嵌段聚醚酰胺复合膜及其制备方法和应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种聚乙烯亚胺功能化的ZIF-8/嵌段聚醚酰胺复合膜，复合膜由聚合物支撑层、嵌段聚醚酰胺和聚乙烯亚胺功能化的ZIF-8纳米颗粒构成；其中，聚乙烯亚胺功能化的ZIF-8颗粒平均粒径约为15 nm-100 nm，优选为15 nm-50 nm，更优选为15 nm-30 nm。

所述复合膜为将采用原位修饰法合成聚乙烯亚胺功能化的ZIF-8纳米颗粒溶胶与嵌段聚醚酰胺溶液共混，而后经喷涂法将铸膜液喷涂到聚合物支撑层表面，干燥后使纳米颗粒填充至聚乙烯亚胺基质中，即形成复合膜；

所述聚乙烯亚胺功能化的ZIF-8纳米颗粒占聚乙烯亚胺功能化的ZIF-8纳米颗粒和嵌段聚醚酰胺总质量的0.1%-30%，优选为3%-20%；