[发明专利]一种掺杂多孔含氮微球的混合基质碳分子筛膜的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种掺杂多孔含氮微球的混合基质碳分子筛膜的制备方法及应用。制备方法分为：（1）通过层层自组装法水热、活化后制备多孔含氮微球；（2）制备掺杂多孔含氮微球的聚酰胺酸混合基质膜；（3）制备掺杂多孔含氮微球的混合基质碳分子筛膜。本发明的优点在于：将该炭材料作为掺杂填料制得的混合基质碳分子筛膜同样具有良好的二氧化碳吸附性能；混合基质碳分子筛膜的制备工艺简单，容易操作；制备的混合基质碳分子筛膜具有良好的化学稳定性和热稳定性；将该混合基质碳分子筛膜用于CO₂/N₂、CO₂/CH₄的分离，打破了聚合物膜以牺牲选择性为代价提高渗透性的trade‑off效应，具有优异的综合性能。

技术领域

本发明涉及一种掺杂多孔含氮微球的混合基质碳分子筛膜的制备方法及应用，属于气体分离领域。

背景技术

随着工业技术的发展，CO₂的排放量日益增加，导致温室效应、海平面上升等自然灾害的发生。另外，CO₂在化工、食品、医学和消防等领域均有广泛的应用。因此，对CO₂进行捕集有很好的发展前景。目前，CO₂捕集的方法主要有化学吸附、物理吸附、深冷分离、膜分离等。近几年来，膜分离技术由于效率高、适应性强、操作简单、能耗低、投资少、环境友好等优点常被用于分离CO₂。此外，与有机聚合物膜相比，混合基质碳分子筛膜具有较高的气体渗透性能和分离选择性，并且具有良好的热稳定性和化学稳定性，成为当前研究的热点。

而掺氮碳材料作为一种强有力的二氧化碳吸附材料受到了越来越多研究者的关注，相对于现阶段其他的混合基质膜添加剂而言，碳材料具有结构稳定，吸附量高，易于制备等优点。而氮掺杂碳膜的优势对于常见的微孔无机膜主要的优点有：（1）碳材料在碳膜形成过程中与膜材料基质的相容性更好，其优异的吸附性能能为无机膜提供优异的二氧化碳吸附量，从而能够实现优异的分离效率。（2）掺氮碳材料的掺杂可以为碳分子筛膜提供一定吸附选择性。目前在混合基质碳分子筛膜中掺杂含氮碳材料的研究工作和技术工作暂无报道。

发明内容

本发明旨在提供一种掺杂多孔含氮微球的混合基质碳分子筛膜的制备方法及其应用，具体为将通过层层自组装法制备的多孔含氮微球加入到聚酰胺酸基体中，对其高温焙烧碳化后，得到混合基质碳分子筛膜，并将其应用于CO₂/N₂，CO₂/CH₄分离。结果表明，该混合基质碳分子筛膜具有高的CO₂渗透系数和分离因子。

本发明选用实验室自制的通过层层自组装法水热、碳化合成的多孔含氮微球作为添加剂，将其添加到聚酰胺酸基体中制备混合基质碳分子筛膜。通过调节葡萄糖和三聚氰胺的比例、活化剂的种类、活化剂的用量、活化时间、活化温度来调控含氮微球孔结构以及吸附位点，以获分离性能更好的混合基质碳分子筛膜。与碳分子筛纯膜相比，在混合基质碳分子筛膜中添加多孔含氮微球可以提高CO₂的分离性能。其中氮可以为CO₂提供吸附位点，以提高CO₂的吸附选择性；多孔结构为CO₂的渗透提供通道，其中超微孔提高CO₂的选择性，微孔提高CO₂的渗透性。

本发明提供了一种掺杂多孔含氮微球的混合基质碳分子筛膜的制备方法，混合基质碳分子筛膜的聚合物基体为聚酰胺酸聚合物，多孔含氮微球为添加剂。通过调节葡萄糖和三聚氰胺的比例、活化剂的种类、活化剂的用量、活化时间、活化温度来调控混合基质碳分子筛膜的结构。

上述制备方法包括以下步骤：

(1) 制备多孔含氮微球