[发明专利]具有离子团簇结构的季铵化聚砜均质膜及制备和应用

说明书

本发明公开了一种具有离子团簇结构的季铵化聚砜均质膜，是由制备混合基质膜、模板刻蚀和离子交换三步制备；其中，混合基质膜是由TMA‑POSS与季铵化聚砜按质量比1～5:100构成。其制备的步骤是：将TMA‑POSS分散在N,N‑二甲基甲酰胺中，与季铵化聚砜混合形成铸膜液，倒于玻璃板上经由溶剂蒸发过程得到混合机制膜，经氢氟酸刻蚀，硼酸根交换后得到该均质膜。本发明具有制备过程可控性强、原料易得、方法通用等优点。制得的均质膜用于二氧化碳/甲烷气体分离体系，在湿态下，对二氧化碳具有高通量、高选择性，同时该均质膜具有良好的机械性能和操作稳定性。

技术领域

本发明属于高分子膜技术领域，尤其涉及一种具有离子团簇结构的季铵化聚砜均质膜及制备和应用。

背景技术

能源和环境是21世纪全球面临的两个重大挑战，我国能源消耗日益增加，在能耗增加的同时，CO₂排放量同时急剧上升，由此引发的温室效已成为全世界关注的焦点问题。因此，开发高效率、低能耗的CO₂捕集技术是实现温室气体减排和能源气体净化的共性关键问题。膜技术是最具发展前景的CO₂捕集技术之一，开发高渗透性、高选择性、低成本的CO₂分离膜材料则是膜技术用于CO₂捕集的重要需求。然而高分子膜材料中此消彼长的渗透性和选择性——tradeoff效应，一直是高分子膜材料的发展瓶颈。向高分子膜材料中引入促进传递基团，通过可逆的反应增加膜对二氧化碳的亲和性，引入附加传递位点，从而能够有效克服tradeoff效应。研究表明，促进传递基团在膜材料中纳米尺度的集中分布有利于形成连续的作用位点，形成纳米微区，从而构建膜内CO₂快速传递路径，提升膜的整体性能。

聚电解质材料是具有纳米微区结构高分子的重要分支，该类膜材料的特征为链段中含有疏水的高分子骨架和亲水的侧链离子基团，离子基团在成膜过程中会自发聚集形成纳米尺度的离子团簇。季铵化聚砜膜由于侧链季铵离子基团对CO₂促进传递作用可形成相应的促进传递基团微区，从而可在膜中构建CO₂传递通道。

本研究设计制备出具有离子团簇结构的季铵化聚砜均质膜，旨在利用膜内离子团簇形成局部连续的CO₂传递位点，同时利用离子团簇内部空腔有效减小膜厚，强化膜内溶解-扩散-促进传递三个机制的协同作用。此外，此方法适用于同类聚电解质材料，具有一定范围的普适性。到目前为止，此类膜材料用于CO₂分离未见文献报道。

发明内容

针对现有技术，本发明提供一种具有结构离子团簇的季铵化聚砜均质膜，其制备方法简便可控，所制备的均质膜可以用于湿态下CO₂/CH₄体系气体分离过程，具有较高的分离性能和稳定性能。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种具有离子团簇结构的季铵化聚砜膜，该季铵化聚砜均质膜中存在由模板剂引发的纳米尺度的离子团簇结构，同时利用模板剂刻蚀后的空腔有效减小膜厚；其中，季铵化聚砜是由聚砜经过氯甲基化反应、季铵化反应而成，季铵化试剂选用三乙胺，比例为6ml/1g，模板剂选取TMA-POSS，粒径在1～3nm。

上述具有结构离子团簇的季铵化聚砜均质膜由制备混合基质膜、模板刻蚀、离子交换三步制备；其中，混合基质膜是由TMA-POSS与季铵化聚砜按质量比1～5:100构成，形成的离子团簇尺寸在4～7nm。具体步骤如下：

上述具有结构离子团簇的季铵化聚砜均质膜的制备方法步骤如下：

步骤一、季铵化聚砜的制备及TMA-POSS/季铵化聚砜混合基质膜的制备：