本發(fā)明涉及有機(jī)氣體分離復(fù)合膜,具體說(shuō)是一種高性能中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜的制備方法。
背景技術(shù):
隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,在揮發(fā)性有機(jī)物(volatileorganiccompounds,簡(jiǎn)稱vocs)的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中以及在石油、化工、噴涂等行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中,每天都釋放出大量的有機(jī)氣體,這不僅是一種資源的浪費(fèi),更重要的是對(duì)環(huán)境有嚴(yán)重的破壞作用。vocs是形成霧霾天氣的重要成因之一,研究表明,vocs的分布與煉化企業(yè)的分布呈現(xiàn)一定的重合趨勢(shì),因此工業(yè)氣體排放中有機(jī)氣體的回收、處理越來(lái)越受到人們的重視。
氣體膜分離技術(shù)是以膜兩側(cè)氣體壓差為推動(dòng)力,利用不同氣體在膜中滲透速率的差異使不同氣體在膜兩側(cè)富集實(shí)現(xiàn)分離的過(guò)程。它是本世紀(jì)開(kāi)發(fā)的一類較為成熟的膜分離技術(shù),由于具有分離效率高、能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、占地面積小、不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn),使得氣體膜分離技術(shù)成為深冷分離、吸收和變壓吸附等傳統(tǒng)氣體分離方法的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。
氣體分離膜材料是決定膜分離性能的關(guān)鍵,理想的有機(jī)氣體分離膜要求滲透速率大,分離系數(shù)高,經(jīng)久耐用,耐溶劑性好和價(jià)格低廉。聚二甲基硅氧烷(pdms)具有較高的滲透系數(shù)和令人滿意的分離性能,通常作為涂層制備成復(fù)合膜用于有機(jī)氣體分離。但是由于pdms主鏈為硅氧交替排列結(jié)構(gòu),連接在si基上的甲基為對(duì)稱分布,是非極性結(jié)構(gòu)聚合物(其結(jié)構(gòu)式如下),它不易耐受有機(jī)蒸氣的溶脹作用,導(dǎo)致在使用過(guò)程中分離性能下降。
很多研究者嘗試對(duì)pdms進(jìn)行主鏈、支鏈改性,然而效果并不理想,而且大都以板式膜研究為主,而中空纖維膜的裝填密度大,占地面積小,由于是自支撐型不需要支撐材料,因而成本較低。
有機(jī)氣體分離用pdms中空纖維膜是一種主要由兩類高分子制成的復(fù)合膜,pdms的涂覆是一道重要工序,涂覆技術(shù)的關(guān)鍵是如何使涂層盡可能薄和盡量將支撐基底膜上的微孔堵住,目前大多采用浸漬法,但操作中存在涂覆的重復(fù)性差,涂覆液與支撐基底膜之間的親和性差,無(wú)法在多孔膜表面形成無(wú)缺陷的皮層,膜的分離性能無(wú)法保證。本發(fā)明以市售的商品中空纖維膜為基底膜,通過(guò)涂覆pdms功能層然后在表面引發(fā)接枝聚合,制備高性能中空纖維有機(jī)氣體分離膜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
針對(duì)目前有機(jī)氣體分離復(fù)合膜制備技術(shù)中的不足,本發(fā)明的目的在于提供一種高性能中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜的制備方法,既能彌補(bǔ)中空纖維有機(jī)氣體分離膜pdms功能層涂覆不均、易脫落、力學(xué)強(qiáng)度低、壁厚、傳質(zhì)阻力高等缺陷,又能在有機(jī)氣體分離回收中表現(xiàn)出較高的選擇透過(guò)性,同時(shí)具備耐水蒸氣、耐有機(jī)溶劑的性能。
為達(dá)到以上目的,本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:利用市售中空纖維膜作為支撐基底膜,采用與pdms和基底膜具有較好結(jié)合能力的硅氧烷偶聯(lián)劑作為界面偶聯(lián)層,然后涂覆pdms分離功能層,再使用簡(jiǎn)單的液相法,在pdms復(fù)合膜表面通過(guò)有機(jī)硅烷單體進(jìn)行水解縮聚,制備有機(jī)硅烷聚合物超薄皮層,從而可以獲得選擇性高、耐溶脹、超疏水、力學(xué)強(qiáng)度大的高性能中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜。
一種中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜的制備方法,包括以下步驟:
步驟1、將市售的聚合物中空纖維膜置于95%的乙醇或無(wú)水乙醇中浸泡一段時(shí)間,脫除膜中殘留的有機(jī)溶劑等殘留物,用去離子水清洗后,進(jìn)行干燥,得到干燥后的聚合物中空纖維膜;
步驟2、將全氟辛基三甲氧基硅烷或三氟丙基乙氧基硅烷溶解于無(wú)水乙醇中配制體積比濃度為3~30%的硅氧烷偶聯(lián)劑溶液;
將干燥后的聚合物中空纖維膜在硅氧烷偶聯(lián)劑溶液中浸泡一段時(shí)間,50~70℃下干燥后得到預(yù)處理后的中空纖維基底膜;
步驟3、將聚二甲基硅氧烷(pdms)加入溶劑中,充分?jǐn)嚢柚羛dms完全溶解,混合均勻后加入交聯(lián)劑正硅酸乙酯和催化劑二月桂酸二丁基錫,混合均勻后靜置脫泡,得到pdms涂覆液;
將pdms涂覆液倒入涂覆器1中,再將預(yù)處理后的中空纖維基底膜水平放入涂覆器1中使其在pdms涂覆液中浸漬一段時(shí)間,取出再垂直固定在掛絲架上,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥,制得涂覆了pdms功能層的中空纖維復(fù)合膜;
步驟4、將涂覆了pdms功能層的中空纖維復(fù)合膜浸入按體積比nh3(25%):h2o2(30%):h2o=1:1:5(括號(hào)內(nèi)的百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量百分比濃度)配制的溶液中保持一段時(shí)間后,用大量去離子水淋洗,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥,得到表面活化了的pdms中空纖維復(fù)合膜;
步驟5、將有機(jī)硅烷單體溶于溶劑中配成體積比為1~20%的溶液,倒入涂覆器2中,接著將表面活化了的pdms中空纖維復(fù)合膜水平置于涂覆器2中保持一段時(shí)間,在一定溫度下避光反應(yīng),然后依次用甲苯、無(wú)水乙醇、去離子水清洗處理后,置于120℃烘箱中烘干,制得中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟1所述浸泡的時(shí)間為24~48小時(shí)。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟1所述干燥具體為,放入干燥箱內(nèi)在50~70℃下干燥30~60分鐘。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟1所述聚合物中空纖維膜的成膜材料為聚醚酰亞胺(pei)、聚砜(pfs)、聚丙烯晴(pan)或聚偏氟乙烯(pvdf)中的一種。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟1所述聚合物中空纖維膜的孔徑范圍為10~1000nm,壁厚為10~50μm。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟2所述浸泡的時(shí)間為10~60分鐘。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟2所述干燥時(shí)間為12~24小時(shí)。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟3所述溶劑為正己烷、正庚烷、正辛烷或甲苯中的任意一種。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟3所述聚二甲基硅氧烷與溶劑的質(zhì)量比為1:1~5。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟3中,聚二甲基硅氧烷:交聯(lián)劑:催化劑的質(zhì)量比為10:0.4~2.5:0.1~0.3。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟3所述浸漬的時(shí)間為1~20分鐘。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟3所述干燥的時(shí)間為24~48小時(shí)。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟4所述保持的時(shí)間為3~30分鐘。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟4所述干燥的時(shí)間為24~48小時(shí)。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟5所述有機(jī)硅烷單體為正辛基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷、苯基三氯硅烷、甲基苯基二氯硅烷中的一種或兩種以上任意配比的組合物。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟5所述溶劑為甲苯、正庚烷或正己烷中的任意一種。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟5所述保持的時(shí)間為3~30分鐘。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟5所述一定溫度為25~50℃。
在上述方案的基礎(chǔ)上,步驟5所述避光反應(yīng)的時(shí)間為1~12小時(shí)。
本發(fā)明所述的一種高性能中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜的制備方法具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明利用與聚二甲基硅氧烷(pdms)和作為支撐基底膜的中空纖維膜具有較好結(jié)合能力的硅氧烷偶聯(lián)劑作為界面偶聯(lián)層,在pdms分離功能層涂覆之前,先用硅氧烷偶聯(lián)劑涂覆基底膜,然后再涂覆pdms分離功能層,使制備的pdms復(fù)合膜的力學(xué)強(qiáng)度提高,pdms功能層不易脫落。
2、本發(fā)明在經(jīng)活化處理的中空纖維pdms復(fù)合膜表面通過(guò)與硅烷單體縮聚、利用自組裝技術(shù)制備有機(jī)硅烷超薄皮層,形成均勻完整、疏水性高的分離層復(fù)合膜,既能彌補(bǔ)中空纖維有機(jī)氣體分離pdms膜涂敷制備過(guò)程中存在的缺陷,又能在有機(jī)氣體分離回收中表現(xiàn)出較高的選擇透過(guò)性,同時(shí)具備耐水蒸氣、耐溶脹的性能。
3、本發(fā)明所制備的中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜,功能層與基底膜結(jié)合牢固,所制成的膜組件在使用過(guò)程中分離功能保持持久,成本較低,制膜方法操作簡(jiǎn)便,反應(yīng)過(guò)程易于控制,適宜于工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明,并不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍,該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
復(fù)合膜的疏水性能用三級(jí)蒸餾水以躺滴法在dsa100接觸角測(cè)定儀(
本發(fā)明高性能中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜的制備方法:
實(shí)施例1
(1)基底膜預(yù)處理:取市售膜平均壁厚10μm、膜孔徑為10nm的pei中空纖維膜置于質(zhì)量濃度為95%的乙醇中浸泡24小時(shí),脫除膜中殘留的有機(jī)溶劑等殘留物,用去離子水清洗后,放入干燥箱內(nèi)在50℃下干燥60分鐘。將全氟辛基三甲氧基硅烷溶解于無(wú)水乙醇中配制體積比濃度為3%的溶液,將上述干燥后的pei中空纖維膜在硅氧烷偶聯(lián)劑溶液中浸泡10分鐘,50℃下干燥12小時(shí)后備用。
(2)pdms功能層涂覆:將20gpdms加入100g正己烷中,充分?jǐn)嚢柚羛dms完全溶解,混合均勻后加入正硅酸乙酯5g和二月桂酸二丁基錫0.6g,攪拌均勻后靜置脫泡,倒入涂覆器1中,再將預(yù)處理后的pei中空纖維基底膜水平放入涂覆器1中使其在pdms涂覆液中浸漬約1分鐘,取出再垂直固定在掛絲架上,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥24小時(shí)左右,制得涂覆了pdms功能層的pei中空纖維復(fù)合膜。
(3)有機(jī)硅烷皮層制備:將涂覆了pdms功能層的pei中空纖維復(fù)合膜浸入體積比(25%)nh3:h2o2(30%):h2o=1:1:5配制的溶液中保持3分鐘,用大量去離子水淋洗,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥24小時(shí)左右后,置于體積比為1%的正辛基三乙氧基硅烷的甲苯溶液中,25℃下避光反應(yīng)12小時(shí),依次用甲苯、無(wú)水乙醇、去離子水清洗處理后,置于120℃烘箱中烘干,制得中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜,其功能層不易被剝離,主要性能參數(shù)中接觸角為151°,膨脹度38%,分離因子74,分離因子變化率為-8.1%。
實(shí)施例2
(1)基底膜預(yù)處理:取市售膜平均壁厚50μm、膜孔徑為1000nm的pvdf中空纖維膜置于無(wú)水乙醇中浸泡48小時(shí),脫除膜中殘留的有機(jī)溶劑等殘留物,用去離子水清洗后,放入干燥箱內(nèi)在70℃下干燥30分鐘。將三氟丙基乙氧基硅烷溶解于無(wú)水乙醇中配制體積比濃度為30%的溶液,將上述干燥后的pvdf中空纖維膜在三氟丙基乙氧基硅烷溶液中浸泡60分鐘,70℃下干燥24小時(shí)后備用。
(2)pdms功能層涂覆:將30gpdms加入30g正庚烷中,充分?jǐn)嚢柚羛dms完全溶解,混合均勻后加入正硅酸乙酯1.2g和二月桂酸二丁基錫0.3g,攪拌均勻后靜置脫泡,倒入涂覆器1中,再將預(yù)處理后的pvdf中空纖維基底膜水平放入涂覆器1中使其在pdms涂覆液中浸漬約20分鐘,取出再垂直固定在掛絲架上,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥48小時(shí)左右,制得涂覆了pdms功能層的pvdf中空纖維復(fù)合膜。
(3)有機(jī)硅烷皮層制備:將涂覆了pdms功能層的pvdf中空纖維復(fù)合膜浸入體積比(25%)nh3:h2o2(30%):h2o=1:1:5配制的溶液中保持30分鐘,用大量去離子水淋洗,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥48小時(shí)左右后,置于體積比為10%的十二烷基三乙氧基硅烷的正庚烷溶液中,50℃下避光反應(yīng)1小時(shí),依次用甲苯、無(wú)水乙醇、去離子水清洗處理后,置于120℃烘箱中烘干,制得中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜,其功能層不易被剝離,主要性能參數(shù)中接觸角為153°,膨脹度29%,分離因子67,分離因子變化率為-5.9%。
實(shí)施例3
(1)基底膜預(yù)處理:取市售膜平均壁厚20μm、膜孔徑為200nm的psf中空纖維膜置于質(zhì)量濃度為95%的乙醇中浸泡30小時(shí),脫除膜中殘留的有機(jī)溶劑等殘留物,用去離子水清洗后,放入干燥箱內(nèi)在60℃下干燥40分鐘。將全氟辛基三甲氧基硅烷溶解于無(wú)水乙醇中配制體積比濃度為5%的溶液,將上述干燥后的psf中空纖維膜在硅氧烷偶聯(lián)劑溶液中浸泡20分鐘,60℃下干燥16小時(shí)后備用。
(2)pdms功能層涂覆:將40gpdms加入50g正辛烷中,充分?jǐn)嚢柚羛dms完全溶解,混合均勻后加入正硅酸乙酯2.0g和二月桂酸二丁基錫0.5g,攪拌均勻后靜置脫泡,倒入涂覆器1中,再將預(yù)處理后的psf中空纖維基底膜水平放入涂覆器1中使其在pdms涂覆液中浸漬約5分鐘,取出再垂直固定在掛絲架上,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥30小時(shí)左右,制得涂覆了pdms功能層的psf中空纖維復(fù)合膜。
(3)有機(jī)硅烷皮層制備:將涂覆了pdms功能層的psf中空纖維復(fù)合膜浸入體積比(25%)nh3:h2o2(30%):h2o=1:1:5配制的溶液中保持10分鐘,用大量去離子水淋洗,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥32小時(shí)左右后,置于體積比為6%的十六烷基三甲氧基硅烷的正己烷溶液中,40℃下避光反應(yīng)6小時(shí),依次用甲苯、無(wú)水乙醇、去離子水清洗處理后,置于120℃烘箱中烘干,制得中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜,其功能層不易被剝離,主要性能參數(shù)中接觸角為160°,膨脹度30%,分離因子52,分離因子變化率為-6.7%。
實(shí)施例4
(1)基底膜預(yù)處理:取市售膜平均壁厚30μm、膜孔徑為50nm的pan中空纖維膜置于無(wú)水乙醇中浸泡40小時(shí),脫除膜中殘留的有機(jī)溶劑等殘留物,用去離子水清洗后,放入干燥箱內(nèi)在50℃下干燥60分鐘。將三氟丙基乙氧基硅烷溶解于無(wú)水乙醇中配制體積比濃度為10%的溶液,將上述干燥后的pan中空纖維膜在硅氧烷偶聯(lián)劑溶液中浸泡30分鐘,55℃下干燥18小時(shí)后備用。
(2)pdms功能層涂覆:將40gpdms加入60g甲苯中,充分?jǐn)嚢柚羛dms完全溶解,混合均勻后加入正硅酸乙酯2.5g和二月桂酸二丁基錫0.8g,攪拌均勻后靜置脫泡,倒入涂覆器1中,再將預(yù)處理后的pan中空纖維基底膜水平放入涂覆器1中使其在pdms涂覆液中浸漬約10分鐘,取出再垂直固定在掛絲架上,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥36小時(shí)左右,制得涂覆了pdms功能層的pan中空纖維復(fù)合膜。
(3)有機(jī)硅烷皮層制備:將涂覆了pdms功能層的pan中空纖維復(fù)合膜浸入體積比(25%)nh3:h2o2(30%):h2o=1:1:5配制的溶液中保持15分鐘,用大量去離子水淋洗,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥35小時(shí)左右后,置于體積比為20%的苯基三氯硅烷、甲基苯基二氯硅烷、正辛基三乙氧基硅烷(苯基三氯硅烷、甲基苯基二氯硅烷、正辛基三乙氧基硅烷的體積比為1:1:0.5)的甲苯溶液中,30℃下避光反應(yīng)10小時(shí),依次用甲苯、無(wú)水乙醇、去離子水清洗處理后,置于120℃烘箱中烘干,制得中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜,其功能層不易被剝離,主要性能參數(shù)中接觸角為163°,膨脹度25%,分離因子70,分離因子變化率為-5.7%。
實(shí)施例5
(1)基底膜預(yù)處理:取市售膜平均壁厚40μm、膜孔徑為500nm的pvdf中空纖維膜置于質(zhì)量濃度為95%的乙醇中浸泡45小時(shí),脫除膜中殘留的有機(jī)溶劑等殘留物,用去離子水清洗后,放入干燥箱內(nèi)在65℃下干燥50分鐘。將全氟辛基三甲氧基硅烷溶解于無(wú)水乙醇中配制體積比濃度為3%的溶液,將上述干燥后的pvdf中空纖維膜在硅氧烷偶聯(lián)劑溶液中浸泡50分鐘,65℃下干燥20小時(shí)后備用。
(2)pdms功能層涂覆:將20gpdms加入60g正己烷中,充分?jǐn)嚢柚羛dms完全溶解,混合均勻后加入正硅酸乙酯2.0g和二月桂酸二丁基錫0.2g,攪拌均勻后靜置脫泡,倒入涂覆器1中,再將預(yù)處理后的pvdf中空纖維基底膜水平放入涂覆器1中使其在pdms涂覆液中浸漬約15分鐘,取出再垂直固定在掛絲架上,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥40小時(shí)左右,制得涂覆了pdms功能層的pvdf中空纖維復(fù)合膜。
(3)有機(jī)硅烷皮層制備:將涂覆了pdms功能層的pvdf中空纖維復(fù)合膜浸入體積比(25%)nh3:h2o2(30%):h2o=1:1:5配制的溶液中保持20分鐘,用大量去離子水淋洗,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥24小時(shí)左右后,置于體積比為8%的正辛基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷(正辛基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷的體積比為1:2)的甲苯溶液中,35℃下避光反應(yīng)8小時(shí),依次用甲苯、無(wú)水乙醇、去離子水清洗處理后,置于120℃烘箱中烘干,制得中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜,其功能層不易被剝離,主要性能參數(shù)中接觸角為147°,膨脹度28%,分離因子43,分離因子變化率為-6.1%。
對(duì)比例
(1)基底膜預(yù)處理:取市售膜平均壁厚40μm、膜孔徑為500nm的pvdf中空纖維膜置于質(zhì)量濃度為95%的乙醇中浸泡45小時(shí),脫除膜中殘留的有機(jī)溶劑等殘留物,用去離子水清洗后,放入干燥箱內(nèi)在65℃下干燥50分鐘。
(2)pdms功能層涂覆:將20gpdms加入60g正己烷中,充分?jǐn)嚢柚羛dms完全溶解,混合均勻后加入正硅酸乙酯2.0g和二月桂酸二丁基錫0.2g,攪拌均勻后靜置脫泡,倒入涂覆器1中,再將預(yù)處理后的pvdf中空纖維基底膜水平放入涂覆器1中使其在pdms涂覆液中浸漬約15分鐘,取出再垂直固定在掛絲架上,然后將其放置于潔凈工作區(qū)通風(fēng)干燥40小時(shí)左右,制得涂覆了pdms功能層的pvdf中空纖維復(fù)合膜,其功能層較易被剝離,主要性能參數(shù)中接觸角為101°,膨脹度118%,分離因子35,分離因子變化率為-15.7%。
從以上實(shí)施例可以看出,本發(fā)明所述方法制備的中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜,由于在表面形成了均勻致密的有機(jī)硅烷超薄皮層,避免了有機(jī)溶劑對(duì)pdms分離層網(wǎng)絡(luò)和多孔底膜支撐層的雙重溶脹,使制備的中空纖維有機(jī)氣體分離復(fù)合膜的溶脹度明顯減小、分離因子的變化率減少,溶劑浸泡后使用過(guò)程中耐溶脹性能提高;所制備的中空纖維復(fù)合膜的接觸角增大,增加了捕集有機(jī)氣體的能力,使分離性能提高,同時(shí)疏水性提高,增強(qiáng)了復(fù)合膜在氣體分離過(guò)程中耐水蒸氣的能力。
本說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。