[发明专利]一种具有高耐酸性能的甲烷/氮气分离的混合基质膜及制备方法和应用

说明书

本申请属于膜分离技术领域，公开一种具有高耐酸性能的甲烷/氮气分离的混合基质膜及制备方法和应用。所述具有高耐酸性能的甲烷/氮气分离的混合基质膜为层状结构，自下而上依次由PSf膜层、亲水层和PAA‑ZIF‑8@VR层组成，所述亲水层为聚二甲基硅氧烷和聚乙烯醇涂覆在PSf膜层的表面干燥得到，所述PAA‑ZIF‑8@VR层是将聚丙烯酸水溶液与表面具有碳化层的ZIF‑8@VR纳米颗粒混合后涂覆在亲水层的表面进行界面自组装后干燥而得。该混合基质膜，其耐酸性能为pH2‑5，在pH3、25℃和1bar条件下测试，其对CH₄渗透速率为1179‑2900GPU，CH₄/N₂选择性为2.20‑3.12。

技术领域

本申请公开了一种具有高耐酸性能的甲烷/氮气分离的混合基质膜及制备方法和应用，属于膜分离技术领域。

背景技术

膜分离技术具有高效、绿色、节能、易于加工等优点，被认为是一种极具潜力的气体分离技术。

非常规天然气的主要成分是 CH₄和氮气（N₂），页岩气的 N₂含量通常在 6vol%~10vol%之间，煤层气的 N₂含量通常在 30vol%~70 vol%之间，此外还含有少量的硫化氢、二氧化碳和烷烃。非常规天然气经过醇胺溶液吸收法脱硫脱碳和固体吸附法脱水等预处理后，气体中还含有微量的硫化氢（ 5 mg/m ³）、二氧化碳（ 50×10 ^-6 mg/m ³）、水分（ 1×10^{-6 mg/m 3）等杂质。因此经预处理后的非常规天然气的pH一般可达3-5,并且经过预处理后的非常规天然气仍含有较高浓度的 N₂，这会增加气体的传输体积、降低天然气的热值，无法满足美国国家天然气管道输送标准（N₂含量 4 vol%）中规定的管道输送的要求，所以酸性环境下对CH₄/N₂进行分离以满足对能源净化、降低温室效应具有重要意义。但是酸性环境对膜的稳定性起到巨大的影响。}

目前的用于CH₄/N₂进行分离的膜如ZIF膜在弱酸即pH=6的条件下就已发生溶解，无法实现在酸性条件下对CH₄/N₂进行分离。因此迫切需要一种在酸性条件下即pH 3-5,可以用于非常规天然气中的CH₄/N₂进行分离的膜。

发明内容

本申请的目的是为了解决上述用于CH₄/N₂进行分离的膜如ZIF膜在弱酸条件下（pH=6）就已发生溶解，无法实现酸性条件下即pH 3-5对CH₄/N₂进行分离等技术问题，而提供一种具有高耐酸性能的甲烷/氮气分离的混合基质膜及制备方法和应用，从而实现酸性条件下，对CH₄/N₂进行分离。

本申请的技术原理

利用真空烧结方法在ZIF-8纳米粒子的表面形成一层具有一定程度耐酸性的碳化层，碳化层可有效隔绝ZIF-8纳米粒子与酸性溶液接触，从而提高了最终所得的混合基质膜的酸性稳定性。在一定的真空度条件下，通过调控烧结时间和烧结温度来调节碳化层厚度从而调节ZIF-8纳米粒子的不同pH环境下的稳定性。该方法所制备的具有高耐酸性能的甲烷/氮气分离的混合基质膜具有良好的酸稳定性能，应用前景广泛。

第一方面，本申请提供一种具有高耐酸性能的甲烷/氮气分离的混合基质膜，采用如下技术方案：

一种具有高耐酸性能的甲烷/氮气分离的混合基质膜，其为层状结构，自下而上依次由聚砜膜层（以下简称PSf膜层）、亲水层和PAA-ZIF-8@VR层组成；