[发明专利]一种基于二维层状材料的混合基质膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种基于二维层状材料的混合基质膜及其制备方法和应用，首先称取聚合物，并将其分散到溶剂中，配制成浓度为2‑15wt%的溶液并均匀分散，命名为铸膜液；将二维层状添加剂材料加入到铸膜液中，均匀分散后，采用干法相转化法制备混合基质膜或者在多孔支撑膜的表面涂敷制备混合基质膜；其中聚合物和二维层状添加剂材料的质量比为1：（0.001‑0.1）。本发明原料来源广泛、成本低、制备简单、条件温和，制备的混合基质膜成膜性能好、易于加工、对酸性气体亲和性好；制备的混合基质膜具有较高的CO₂渗透速率和CO₂/N₂选择性，适用于CO₂分离和净化领域。

技术领域

本发明涉及一种基于二维层状材料的混合基质膜及其制备方法和应用，属于气体膜分离领域。

背景技术

随着经济的发展和人口数量的增长，CO₂的排放量也逐渐增加，大气的温室效应也随之增强，其引发了一系列问题，已引起了世界各国的关注。所以关于捕集CO₂等气体的研究已经成为环境与能源的重大问题之一。而相比于其他分离方法，膜分离技术由于具有高效、低能耗和环境友好等优点，被广泛用于CO₂的分离。因此，开发低成本、高性能的CO₂分离膜是当今研究热点。而二维层状材料的独特结构特性，如它们的原子尺寸厚度、高纵横比、突出的机械强度和优异的化学稳定性使其成为实现新一代气体的理想选择分离膜。通过具有亚纳米厚度的堆叠纳米片的层间通道进行分子筛分，使气体传输阻力最小化，从而使气体通量最大化。将二维纳米片作为纳米填料掺杂到聚合物基质中，制备得混合基质膜（MMMs），兼具聚合物膜的易加工特性与二维材料的独特的理化结构，被认为是一种有前景的膜改性途径。

发明内容

本发明旨在提供一种基于二维层状材料的混合基质膜及其制备方法和应用，制备方法过程简单易操作、绿色环保，所制备得到的复合膜可以用于分离CO₂/N₂气体，具有良好的分离效果。

本发明将二维层状材料偏高岭土、ZIF-8改性的偏高岭土、碳纳米管改性的偏高岭土加入到聚合物中，制备混合基质膜。一方面无机添加剂扰乱高分子链段堆积，增加聚合物膜的自由体积，进一步增加聚合物膜的气体渗透速率；另一方面二维层状材料的添加可以为CO₂气体在膜中的传递提供通道，有利于CO₂在膜中的渗透选择性。

本发明提供了一种基于二维层状材料的混合基质膜，由聚合物基体、二维层状添加剂材料、溶剂制备而成；混合基质膜选用的聚合物基体为聚乙烯胺、聚醚嵌段聚酰胺、聚乙烯醇中的任一种，二维层状添加剂材料为偏高岭土、偏高岭土-ZIF-8、偏高岭土-碳纳米管中的任一种，溶剂为水、N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、甲苯中的任一种。

进一步地，所述的偏高岭土为商业化偏高岭土干燥后直接使用；偏高岭土-碳纳米管为偏高岭土和碳纳米管按照质量比为（0.01-10）：（0.01-1）混合；

偏高岭土-ZIF-8材料是在偏高岭土表面原位合成ZIF-8；合成方法为：称取2-甲基咪唑溶解在无水甲醇溶液中配成浓度为0.01-70 mol/L的溶液，得到2-甲基咪唑甲醇溶液，命名为溶液C；称取六水合硝酸锌溶解于无水甲醇溶液中配成浓度为0.005-0.5 mol/L的溶液，得到六水合硝酸锌甲醇溶液；将偏高岭土加入到六水合硝酸锌的甲醇溶液超声0.5-8h，采用转速为100-2000 rpm的磁力搅拌器搅拌2-12 h，命名为溶液D；将溶液C和溶液D倒入三口烧瓶中，在20-80℃下机械搅拌6-48 h发生化学反应，对所得溶液在8000-12000 rpm的转速范围内离心10-120 min，离心管中的下层沉淀用甲醇洗三次后，放在60-100 ℃真空烘箱中干燥12-24 h，制备白色的偏高岭土-ZIF-8材料。