[发明专利]海藻酸钠-两亲性碳材料/聚丙烯腈复合膜及制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及海藻酸钠-两亲性碳材料/聚丙烯腈(SA-ACM/PAN)复合膜及制备和应用，属于高分子-无机复合膜技术领域。

背景技术

从目前开发清洁优质能源的众多产能技术来看，燃料乙醇是未来石油的良好替代物。但是在常压下，乙醇质量分数为95.6％时，与水发生共沸。膜分离技术出兼具分离、纯化、浓缩及精制的功能，还有节能、环保、高效、简单、易于控制等优势。作为膜分离技术的一种，渗透蒸发已广泛应用于液体混合物的分离。而恒沸物分离是渗透蒸发最能发挥优势的领域，采用渗透蒸发法分离乙醇和水，比传统方法节能1/2～1/3，而且具有操作简单、产品纯度高和清洁环保等优点。

有机-无机杂化膜则能兼具有机高分子材料和无机材料的优点，是制备高性能高稳定性渗透蒸发膜的有效途径。二维无机填充物具有各向异性的结构特点，在复合膜中会自发地形成平行于膜表面的排布，在铸膜液涂铸的过程中，纳米片层就在重力的作用下开始沉降，在重力和聚合物溶液阻力的共同作用下，片层可以形成水平的取向。同时二维纳米材料通常具有很高的比表面积，使得二维纳米材料在有机-无机杂化膜材料的选择中备受关注。

两亲性碳材料(ACM)是一种二维无机填充物，ACM在水溶液及其它大部分溶剂中拥有优良的分散性，其表面含有丰富的含氧官能团，拥有较高的比表面积，容易对无机组分表面进行改性，便于调节有机-无机界面形态，有效提高杂化膜的渗透性和选择性，可以大幅提高杂化膜的机械稳定性和热稳定性。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种海藻酸钠-两亲性碳材料/聚丙烯腈(SA-ACM/PAN)复合膜及制备方法和应用，本发明提供的制备方法简便易操作，所制备的复合膜可以用于渗透蒸发乙醇脱水，具有较高的分离因子和渗透通量。

本发明提出的一种海藻酸钠-两亲性碳材料/聚丙烯腈复合膜，该复合膜的厚度约为320-370纳米，由海藻酸钠与两亲性碳材料通过物理共混后旋涂于聚丙烯腈基膜上得到，其中，两亲性碳材料与海藻酸钠的质量百分比为2～10％。

上述海藻酸钠-两亲性碳材料/聚丙烯腈复合膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、以针状焦为原料，采用混酸法制备两亲性碳材料；

步骤二、称取去离子水与海藻酸钠加入烧瓶中，配制成质量浓度为1-2wt.％的海藻酸钠水溶液，30-55℃恒温搅拌1h；

步骤三、将步骤一获得的两亲性碳材料加入步骤二获得的海藻酸钠水溶液中，其中两亲性碳材料与海藻酸钠水溶液的质量百分比为2-10％，35-55℃恒温搅拌2.5-4.5h，得到铸膜液，将该铸膜液旋涂到聚丙烯腈基膜上，室温干燥；

步骤四、将步骤三获得的膜浸入CaCl₂溶液中交联，室温干燥后获得海藻酸钠-两亲性碳材料/聚丙烯腈复合膜。

将本发明制备得到的海藻酸钠-两亲性碳材料/聚丙烯腈复合膜用作渗透蒸发乙醇脱水的分离膜，在温度76℃、90wt.％的乙醇/水为原料液的情况下，其分离因子为1066～1816，渗透通量为1359～1778g/m²h。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供的制备过程主要是以针状焦为原料，采用混酸法制备，经NaOH与盐酸处理得两亲性碳材料(ACM)。ACM与海藻酸钠(SA)水溶液共混得铸膜液，聚丙烯腈(PAN)基膜为基膜，经旋涂法制得该海藻酸钠-两亲性碳材料/聚丙烯腈复合膜。本发明复合膜的制备过程绿色环保、简便易操作。ACM是一种二维无机填充物，ACM在水溶液及其它大部分溶剂中拥有优良的分散性，其表面含有丰富的含氧官能团，如羧基、羟基和环氧基等，拥有较高的比表面积，容易对无机组分表面进行改性，便于调节有机-无机界面形态，有效提高杂化膜的渗透性和选择性，可以大幅提高杂化膜的机械稳定性和热稳定性。

本发明制备方法所制得的复合膜表现出较高的分离因子和渗透通量，与纯SA膜相比分别提高了206％和40％。

附图说明

图1是对比例1制得的SA均质膜的断面SEM图；

图2是实施例1制得的SA-ACM-2/PAN均质膜的断面SEM图；

图3是实施例2制得的SA-ACM-4/PAN均质膜的断面SEM图；

图4是实施例3制得的SA-ACM-6/PAN均质膜的断面SEM图；

图5是实施例4制得的SA-ACM-8/PAN均质膜的断面SEM图；

图6是实施例5制得的SA-ACM-10/PAN均质膜的断面SEM图。

具体实施方式