[发明专利]海藻酸钠/共价有机骨架复合膜及制备和应用

说明书

本发明公开了一种海藻酸钠/共价有机骨架复合膜，是由海藻酸钠与共价有机骨架按质量比100：5～30构成；其中，共价有机骨架是由对苯二甲醛和三聚氰胺按质量比1～1.5：1缩聚而成。其制备步骤是：以对苯二甲醛和三聚氰胺为单体，在二甲基亚砜溶剂中进行缩聚反应，产物依次经过甲醇、四氢呋喃、甲醇萃取后，得到共价有机骨架；将共价有机骨架分散到去离子水中，与海藻酸钠混合形成铸膜液，旋涂于聚丙烯腈超滤膜后，经交联、干燥得到该复合膜。本发明具有制备过程简便、可控性强、原料易得、方法通用等优点。制得的复合膜用于渗透蒸发乙醇‑水溶液体系，对水分子具有高渗透通量、高选择性，同时该复合膜在高温下具有良好的操作稳定性。

技术领域

本发明涉及一种海藻酸钠/共价有机骨架复合膜及制备和应用，属于高分子-有机复合膜技术领域。

背景技术

能源和环境是21世纪全球面临的两个重大挑战，我国能源消耗日益增加，每年消耗能量合计约四亿吨标准煤。因此，国家出台了多项政策法规，大力推进可再生能源，尤其是生物质能的发展，并在全国范围内推行燃料乙醇汽油的应用。以生物质为原料生产燃料乙醇的流程中，脱水阶段针对乙醇和水的共沸物，能耗高(约占总能耗的20％)，分离难度大。常用的脱水方法是特殊精馏法和吸附法，特殊精馏法过程复杂，能耗较高；吸附法虽工艺相对简单，但属间歇操作。与前两者相比，渗透蒸发法能极大地简化工艺流程，降低生产能耗，具有很大的发展潜力。

渗透蒸发过程遵循溶解-扩散机理，利用乙醇和水的物性差异，可分别强化溶解过程和扩散过程。然而膜材料此消彼长的渗透性和选择性——tradeoff效应，一直是高性能膜材料制备的瓶颈。大量研究表明，无机填充剂可改善高分子基质的网络结构，调节高分子链间距和链刚性，调节膜亲疏水平衡，引入附加传递通道和筛分功能等，从而克服Trade-off效应。然而高分子与无机颗粒之间界面作用差，易形成缺陷，从而影响膜的稳定性能。

为同时提高膜的渗透性、选择性和稳定性，本研究设计制备出共价有机骨架多功能材料，并将其填充到海藻酸钠内制备出复合膜，旨在利用共价有机骨架的亲水性促进水分子优先吸附、利用共价有机骨架的特定孔道尺寸实现水分子的选择性扩散。此外共价有机骨架是由强共价键形成的稳定材料，且有机骨架结构与高分子海藻酸钠之间具有更好的界面相容性，因而可提高膜材料的机械稳定性和热稳定性。到目前为止，海藻酸钠/共价有机骨架复合膜用于渗透蒸发乙醇脱水未见文献报道。

发明内容

本发明提供一种海藻酸钠/共价有机骨架复合膜及制备方法和应用，该制备方法简便可控，所制备的复合膜可以用于渗透蒸发乙醇-水体系脱水，具有较高的分离性能和稳定性能。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种海藻酸钠/共价有机骨架复合膜，该海藻酸钠/共价有机骨架复合膜是由海藻酸钠与共价有机骨架按质量比100：5～30构成；其中，共价有机骨架是由对苯二甲醛和三聚氰胺按质量比1～1.5：1缩聚而成，共价有机骨架的粒径为60～100nm，孔径为0.4～0.6nm。

上述海藻酸钠/共价有机骨架复合膜的制备方法，步骤如下：

步骤一、共价有机骨架的制备：将三聚氰胺溶解于二甲基亚砜溶剂中，形成质量体积浓度为0.02～0.04g/mL的溶液，然后按与三聚氰胺质量比1～1.5：1向溶液中加入对苯二甲醛；在180℃下剧烈搅拌并通入氩气密封，反应48～96h，得到黄褐色沉淀物；将该沉淀物依次用N，N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃离心洗涤后真空干燥24h，得到黄色粉末状固体；将该黄色粉末状固体置于索氏提取器中，在80℃下依次使用甲醇、四氢呋喃、甲醇各萃取24～48h，萃取后的产物于120℃下真空干燥，最终得到共价有机骨架；