[发明专利]一种基于掺氮多孔碳球的混合基质膜的制备方法及应用

权利要求书

1.一种基于掺氮多孔碳球的混合基质膜的制备方法，其特征在于：以葡萄糖作为碳源、三聚氰胺作为氮源在水溶液中混合均匀，首先通过水热法制备掺氮碳球，之后利用化学活化法制备掺氮多孔碳球，然后将掺氮多孔碳球与聚合物基质在溶剂中共混，使用溶液流延法制备基于掺氮多孔碳球的混合基质膜。

2.根据权利要求1所述的具有基于掺氮多孔碳球的混合基质膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1) 掺氮多孔碳球的制备：称取葡萄糖与三聚氰胺，依次加到去离子水中，葡萄糖在水溶液中的质量分数为3～15%；然后在20～50 KHz的频率、20～70°C的温度下超声0.5～6 h至分散均匀，然后将混合物置于聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在100～200°C下水热反应8～15 h，将产物洗涤，在60°C的真空烘箱中干燥24 h，得到氮掺杂的葡萄糖碳球前驱体，命名为产物A；将产物A和活化剂分散在去离子水中混合均匀，产物A在去离子水中质量分数为5~30%，在120°C的真空烘箱中干燥12 h后研磨并盛放至陶瓷舟中；将盛样品的陶瓷舟置于管式炉中，在500～800°C氮气保护下恒温1～3 h，用去离子水洗涤至中性，置于60°C的真空烘箱中干燥24 h，研磨后得到氮掺杂的多孔碳材料，命名为产物B；

(2) 基于掺氮多孔碳球的混合基质膜的制备：将产物B加入到制膜所需的溶剂中，在频率为20～50 KHz、温度为20～70°C的条件下超声0.5～6 h至分散均匀，命名为溶液C；之后将聚合物基质加入到溶液C中，采用磁力搅拌器在温度范围为20～80°C，转速范围为100～2000 rpm，机械搅拌2～24 h至聚合物完全溶解，静置脱泡12～48 h，得到铸膜液，命名为铸膜液D；其中，聚合物基质的质量百分含量为2%～15%，产物B与聚合物基质的质量比为(0.01～0.1)：1；用涂膜器将铸膜液D均匀涂覆在干净的玻璃板或聚四氟乙烯板表面，控制湿膜的厚度为300～1500 μm，然后将涂膜后的玻璃板或聚四氟乙烯板放置在25～80°C的真空烘箱中真空干燥12～48 h，在80～150°C的真空烘箱中干燥8～48 h；将去除溶剂后的膜从玻璃板或聚四氟乙烯板表面揭下，妥善保管待用。

3.根据权利要求2所述的基于掺氮多孔碳球混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，葡萄糖与三聚氰胺的质量比为1：(0.5～2) 。

4.根据权利要求2所述的基于掺氮多孔碳球的混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所用的活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、草酸钾、氯化锌、碳酸钾的一种。

5.根据权利要求2所述的基于掺氮多孔碳球的混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，产物A与活化剂的质量比为1：(0.5～2)。

6.根据权利要求2所述的基于掺氮多孔碳球的混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，制膜所需的溶剂为N,N'-二甲基乙酰胺、N,N'-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的一种。

7.根据权利要求2所述的基于掺氮多孔碳球的混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的聚合物基质为聚醚嵌段酰胺、磺化聚醚醚酮、聚酰亚胺、醋酸纤维素、聚二甲基硅氧烷中的一种。

8.根据权利要求2所述的基于掺氮多孔碳球的混合基质膜的制备方法，其特征在于：所制备的混合基质膜的厚度为20～200 μm。

9.一种权利要求1~8任一项所述的方法制备的基于掺氮多孔碳球的混合基质膜在分离CO₂中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：气体分离性能测试采用恒压变体积法，膜渗透的有效面积为10～100 cm²，扫气采用H₂，扫气流速为10～100 mL/min，进料气流速为10～60 mL/min，原料侧和渗透侧的流量用流量计测得，渗透侧组分含量由气相色谱测试；测试温度为20～100°C，压差为0.1～1.5 MPa。