[发明专利]一种氮氧气体分离复合膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮氧气体分离复合膜及其制备方法，所述复合膜是以不锈钢纤维和玻璃纤维混合编织制备成基底材料，与金属凝胶浸渍涂覆到基底材料上经高温烧结后,形成具有定向微孔结构分离膜复合而成的,利用薄层基底材料支撑膜，并且膜与基底材料之间复合紧密，粘结度好，基底材料与金属凝胶复合而成的复合膜具有分离效率高、强度大,并且选择性高的特点。

技术领域

本发明涉及气体分离技术领域，尤其涉及一种氮氧气体分离复合膜及其制备方法。

背景技术

过去30年，气体膜分离技术得了较大的发展，已广泛应用于许多气体的分离及提纯工艺。混合气体在压力驱动下，基于不同组分在膜材料中的溶解-扩散能力不同而得到分离。膜分离法由于可靠性高，能耗低，且设备制造使用简便等优点，正在逐步取代其他传统气体分离工艺。特别在中小型分离项目中，膜分离法的经济优势突出，独特的性价比是传统工艺无法比拟的。在膜法气体分离研究中，氧氮分离是其中的一大重点。早在上世纪70年代，由于石油危机的发生，促使各国投入大量人力物力来研究膜材料及膜法富氧燃烧技术，用于节能减排，已实现工业化应用。

目前广泛应用的氧氮分离膜材料多为高分子分离膜，其主要为采用具有选择透过性的高分子材料作为分离层，来实现氮氧的分离。通常使用树脂(或共聚物)包括聚有机硅氧烷类树脂、聚四氟乙烯树脂或聚烯烃树脂、无定形氟树脂、全氟二氧杂环戊烯二元共聚物等,来制备多孔质支撑膜或分离膜，但是这些树脂制备的膜或多或少存在一些问题，如气体分离效率相对不高、气体透过速度慢、膜的强度不充分等方面的问题。有些为了提高膜的机械强度而增大膜的厚度或者将分离膜与支撑材料进行复合，但是膜厚度过大，则气体性能降低，气体分离性的显著变差；若支撑材料与分离膜之间的黏结较差时，将会在两相之间出现缝隙(这种缝隙可能是因为支撑材料与分离膜之间的排斥力或是支撑材料与分离膜之间的热膨胀系数的差异导致的)。这种缝隙是没有分离能力的，缝隙的存在大大影响了膜的分离性能。所以由于受现有高分子材料特性的制约，很难找到选择性、透过性、高强度相统一的材料应用于氧氮分离。目前使用最广泛的为硅橡胶复合分离膜，其氧氮选择性仅为2.1,而其他氧氮选择性高的膜材料，在相同条件下其透过性远远低于硅橡胶复合分离膜。这些都无法满足大规模工业化应用的需要。如何设计并制备分离效率高、分离速度快、膜强度大、支撑物与分离膜黏结性好，并且选择性高的气体分离复合膜显得尤为重要。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种氮氧气体分离复合膜及其制备方法,利用薄层基底材料支撑膜，并且膜与基底材料之间复合紧密，粘结度好，基底材料与金属凝胶复合而成的复合膜具有分离效率高、强度大,并且选择性高的特点。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种氮氧气体分离复合膜，所述复合膜是以不锈钢纤维和玻璃纤维混合编织制备成基底材料，与金属凝胶浸渍涂覆到基底材料上经高温烧结后，形成具有定向微孔结构分离膜复合而成的。

不锈钢纤维和玻璃纤维混合编织成网状的基底材料，不仅具有高强度、耐高温的特点，还具有耐腐蚀、抗氧化等性能，可以为复合膜提供很好的支撑效果，而金属凝胶浸渍涂覆到基底材料上，经过高温烧结后，金属凝胶可以形成很多纳米级定向微孔，具有较高的氮氧选择分离性。玻璃纤维不具有明显的熔点，在烧结过程中，玻璃纤维有软化迹象，与金属凝胶黏结在一起，形成不可分离的复合膜，不会因为之间存在缝隙而影响分离性能。

进一步，所述基底材料中不锈钢纤维和玻璃纤维的质量比为(0.5-0.8):1，所述不锈钢纤维的单丝直径为2-3μm，所述玻璃纤维为中碱玻璃纤维，单丝直径为2-3μm。

进一步，所述金属凝胶的制备原料包括：乙醇硅、异丙醇钛、乙醇铝、乙醇、丁醇、氯化镁、硝酸钠。

进一步，所述乙醇、丁醇的体积比为0.5:1。

进一步，所述复合膜的厚度为20-50μm。