高分子-羧酸功能化納米水凝膠復合膜及制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種氣體分離膜及其制備，尤其涉及一種高分子-羧酸功能化納米水 凝膠復合膜及制備和應用。
【背景技術】
[0002] 目前碳捕集是二十一世紀全人類社會面臨的重大挑戰(zhàn)。一方面新采集的天然氣和 沼氣中通常合有CO2等酸性氣體，這些酸性氣體不僅影響氣體質量，而且會嚴重腐蝕管道和 設備，因此，從能源氣中捕集CO 2是能源氣凈化的必然需求；另一方面，化石能源燃燒排放的 〇)2是造成全球氣候變暖的主要溫室氣體，緩解全球變暖的關鍵是減少碳排放，從煙道氣中 捕集已是〇) 2刻不容緩。常見的CO2捕集技術包括吸附法、溶劑吸收法、低溫蒸餾法、氣體膜 分離法等。與傳統(tǒng)的吸附分離、吸收分離和低溫冷凝分離相比，氣體膜分離技術具有"高效、 節(jié)能、易操作、環(huán)保等"優(yōu)點，已經成為最受矚目的分離碳捕集技術之一。
[0003] 煙道氣和天然氣等多種含〇)2的氣源中均含有水蒸氣，且氣體的加濕和除濕在工 業(yè)上也很成熟。近年來，研宄發(fā)現(xiàn)水在CO 2傳遞中具有重要作用，在濕態(tài)下，水能強烈干預膜 的鏈間的相互作用，使膜發(fā)生溶脹，增大了膜的自由體積和高分子鏈的流動性，從而增加了 CO2的擴散過程；另外，水還能使CO 2發(fā)生水合和解離反應，產生HCO廠，改變通過膜的方式， 因此濕態(tài)下親水性高分子膜的滲透性和選擇性普遍較高。特別地，當親水性膜中含有固定 載體時（如胺基，羧酸根和吡啶基等），CO 2的水合和解離反應速率將顯著提高，大量CO 2以 離子方式透過膜，使膜的分離性能明顯優(yōu)于其它膜材料?？傊?，增加膜中水含量和載體含量 可以顯著提高膜分離CO 2性能。因此研宄新型的高水含量和CO 2載體的膜材料用于提高氣 體分離性能是非常有必要的。復合膜由高分子相和填充粒子相組成，合理的設計填充粒子 可以獲得高性能的復合膜。比如，選用多功能的填充粒子可以同時增加膜中的水含量和CO 2 載體含量，從而獲得高性能的氣體分離膜。納米水凝膠是一種可以吸收自身質量10-1000 倍水的一種親水性材料，它能吸收大量的水而不溶于水是由于其交聯(lián)的結構。羧酸根具有 高的水和能，能結合更多的水分子，此外，羧酸根作為CO 2的載體，可以與〇)2發(fā)生可逆反應， 如下所示：
[0004]
【主權項】
1. 一種高分子-羧酸功能化納米水凝膠復合膜，其特征在于：該復合膜的厚度 70-105 ym，該復合膜由質量分數(shù)為70-95%的聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物和5-30% 的羧酸功能化的納米水凝膠組成；所述聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物中，聚氧乙烯鏈 段占嵌段共聚物質量分數(shù)的55-60%，聚己內酰胺鏈段占嵌段共聚物質量分數(shù)的40-45%。
2. 根據(jù)權利要求1所述的高分子_羧酸功能化納米水凝膠復合膜的制備方法，其特征 在于：包括以下步驟： 步驟1、羧酸功能化的納米水凝膠制備： 將N-異丙基丙烯酸胺、丙烯酸、N-N-亞甲基雙丙烯酰胺和十二烷基硫酸鈉按質量比 為3.8 : 0.24 : 0.07 : 0.13依次加入至去離子水中，獲得N-異丙基丙烯酸胺濃度為 0. 017mg/mL溶液，低速攪拌下體系通氮氣30min除氧，然后升溫至70°C恒溫30min，加入 濃度為〇. 〇〇9mg/mL的過硫酸鉀水溶液，其中，N-異丙基丙烯酸胺和過硫酸鉀的質量比為 3. 8 : 0.17,繼續(xù)反應4h;反應后的體系冷卻至室溫，將產物離心，用水洗滌3遍后，放置真 空烘箱干燥48h，得到羧酸功能化的納米水凝膠； 步驟2、聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物溶液的制備： 按質量比1 : (10-50)，將聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物加入質量分數(shù)為65-75% 的乙醇中，在溫度80°C的水浴下，冷凝回流的條件下，攪拌2h，使其完全溶解，得到質量分 數(shù)為4%聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物溶液； 步驟3、高分子-羧酸功能化納米水凝膠復合膜的制備： 按質量比1 : (80-600)的比例，將步驟1中所得的羧酸功能化的納米水凝膠加入步驟 2制得的聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物溶液中，于室溫下攪拌2-5h，將所得的鑄膜液倒 在干凈的聚四氟乙烯板上流延，于室溫下晾干，然后放入真空烘箱中去除殘留的溶劑，得到 高分子-羧酸功能化納米水凝膠復合膜。
3. 根據(jù)權利要求2所述高分子-羧酸功能化納米水凝膠復合膜的制備方法制得的高分 子-羧酸功能化納米水凝膠復合膜的應用，將該復合膜用于分離C0 2/CH4混合氣，其CO 2通 量為 450-1926barrer，C02/CH4分離因子為 15-31。
4. 根據(jù)權利要求2所述高分子-羧酸功能化納米水凝膠復合膜的制備方法制得的高 分子-羧酸功能化納米水凝膠復合膜的應用，將該復合膜用于C0 2/N2混合氣，其CO 2通量為 460-1958barrer，C02/N2分離因子為 49-81。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高分子-羧酸功能化納米水凝膠復合膜，該復合膜由聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物和功能化羧酸功能化納米水凝膠組成。其制備包括：沉淀聚合法制備羧酸功能化納米水凝膠；配制聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物溶液；將羧酸功能化納米水凝膠加入聚氧乙烯-聚己內酰胺嵌段共聚物溶液制得鑄膜液制備復合膜。本發(fā)明制備過程簡單，羧酸功能化納米水凝膠顯著提高了復合膜中的水含量，從而提高了復合膜分離氣體的性能。將該復合膜用于分離CO2/CH4混合氣，其CO2通量為450-1926barrer，CO2/CH4分離因子為15-31；將該復合膜用于CO2/N2混合氣，其CO2通量為460-1958barrer，CO2/N2分離因子為49-81。
【IPC分類】B01D69-02, B01D53-22, B01D69-12, B01D71-82, B01D67-00
【公開號】CN104525006
【申請?zhí)枴緾N201510008976
【發(fā)明人】吳洪, 李雪琴, 姜忠義, 吳英震, 王晨瑜, 劉雨辰
【申請人】天津大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月8日