[发明专利]磺化聚醚醚酮-磺化氧化石墨烯杂化膜及制备和应用

摘要

本发明公开了一种磺化聚醚醚酮‑磺化氧化石墨烯杂化膜，所述杂化膜是由磺化聚醚醚酮与磺化氧化石墨烯杂化膜所构成。其制备过程包括：以Hummer法合成的氧化石墨烯与3‑(异丁烯酰)丙基三甲氧基硅烷进行反应，得双键修饰的氧化石墨烯；然后将双键修饰的氧化石墨烯与苯乙烯磺酸钠在引发剂的作用下制备磺化氧化石墨烯；磺化氧化石墨烯与磺化聚醚醚酮溶液共混得到铸膜液，经流延法制得该杂化膜。本发明杂化膜的原料易得，制备过程简便可控，制得的磺化聚醚醚酮‑磺化氧化石墨烯杂化膜应用于CO₂/CH₄气体分离，具有较高的选择性和渗透性。

主权项

1.一种用于CO2/CH4分离的磺化聚醚醚酮‑磺化氧化石墨烯杂化膜，其特征在于，该磺化聚醚醚酮‑磺化氧化石墨烯杂化膜厚度为55～80微米，由磺化聚醚醚酮与磺化氧化石墨烯构成，其中，磺化聚醚醚酮与磺化氧化石墨烯质量比为(0.92～0.98)∶(0.08～0.02)，所述磺化聚醚醚酮的磺化度为45～75％；其中，所述磺化聚醚醚酮‑磺化氧化石墨烯杂化膜的制备方法，包括以下过程：步骤1、采用Hummer制备氧化石墨烯：采用Hummer法制备氧化石墨烯，在容器中加入质量分数为98％的浓硫酸，然后将反应容器放到冰浴中剧烈搅拌，在搅拌过程中加入石墨片和硝酸钠；激烈搅拌，分批缓慢加入高锰酸钾得混合物A，高锰酸钾加入的过程中，体系温度不超过20℃，其中，石墨片和硝酸钠的质量比为(1～5)∶1，石墨片与高锰酸钾的质量比为1∶(1～10)，石墨片为浓硫酸质量分数的2％～10％；混合物A在273～283K下连续搅拌1～5h，将混合物A移到恒温水浴中，在20～50℃的温度下，维持搅拌20～60min；向混合物A中缓慢加入去离水，控制加水的速度使体系温度不超过100℃；将水浴温度提高到70～120℃，然后恒温2～8h，将反应物中倒入去离水稀释，然后加入30％的双氧水，除去其中残留的高锰酸钾和二氧化锰；趁热过滤，用5％的盐酸充分洗涤，然后用蒸馏水洗涤至pH为中性，得氧化石墨烯；步骤2、将步骤1制得的氧化石墨烯分散于无水乙醇中，超声分散，然后加入3‑(异丁烯酰)丙基三甲氧基硅烷，氧化石墨烯与3‑(异丁烯酰)丙基三甲氧基硅烷的质量比为1∶(1～6)；置于30～50℃下反应12～60小时，离心洗涤干燥，得双键修饰的氧化石墨烯；步骤3、将步骤2制得的双键修饰的氧化石墨烯加入到反应容器中超声分散于乙腈中，加入苯乙烯磺酸钠，苯乙烯和2，2′‑偶氮二异丁腈，其中，所述苯乙烯磺酸钠为单体，所述2，2′‑偶氮二异丁腈为引发剂，双键修饰的氧化石墨烯与苯乙烯磺酸钠的质量比为1∶(6～18)，苯乙烯磺酸钠与苯乙烯的质量比为3∶(1～6)，2，2′‑偶氮二异丁腈的质量为苯乙烯磺酸钠质量的1％～10％；然后加入沸石在80℃下沉淀共蒸馏法在其表面聚合磺酸有机高分子层，蒸馏20～100分钟停止反应，将圆底烧瓶中的固体经去离子水离心洗涤自然干燥，得纯净的磺化氧化石墨烯；步骤4、室温搅拌下，将磺化度为45～75％的磺化聚醚醚酮加入到N，N‑二甲基乙酰胺溶剂中配制成浓度为3～15％的磺化聚醚醚酮溶液；步骤5、按磺化聚醚醚酮溶液中的磺化聚醚醚酮与步骤3制得的磺化氧化石墨烯质量比为 (0.92～0.98)∶(0.08～0.02)，将磺化氧化石墨烯分散于N，N‑二甲基乙酰胺溶剂中超声12～36小时，并加入3～15％的磺化聚醚醚酮溶液中，搅拌24h，静置1～3h脱泡，得磺化聚醚醚酮‑磺化氧化石墨烯铸膜液；步骤6、将步骤5得到的磺化聚醚醚酮‑磺化氧化石墨烯膜液倾倒在玻璃培养皿中，在温度60℃干燥12小时后，再在温度80℃干燥12小时，得到磺化聚醚醚酮‑磺化氧化石墨烯杂化膜；所述磺化聚醚醚酮‑磺化氧化石墨烯杂化膜用于CO2/CH4的分离，选择性为34～72，渗透性为631～1327barrer。