[发明专利]一种基于酚醛树脂基碳管为支撑体的复合分子筛碳膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种基于酚醛树脂基碳管为支撑体的复合分子筛碳膜及其制备方法。所述复合分子筛碳膜包括碳管支撑体和碳膜分离层，碳膜分离层附着在碳管支撑体的外表面或内表面上，所述碳管支撑体为含碳的多孔管状结构，平均孔径为0.05～0.5μm、孔隙率为20～80％、所述碳膜分离层的碳膜平均孔径小于10nm、孔隙率为20～40％，所述碳管支撑体和碳膜分离层同为碳材质。本发明由于碳管支撑体前驱体与分离层前驱体共同经历固化和碳化处理，获得同为碳材质的支撑体和分离层，克服了现有技术复合碳膜中因两相间隙导致膜性能下降的问题，制备工艺简单、工艺参数可控，在制备成本节约近50％、在膜性能的渗透通量提高大于20％。

技术领域

本发明涉及膜分离技术中的膜制备及其应用领域，具体地说，是涉及一种基于酚醛树脂基碳管为支撑体的复合分子筛碳膜及其制备方法和应用。

背景技术

碳膜通常由有机前驱体经适当方式(如旋涂、刮膜、浸渍、挤出、沉积)成膜、碳化、活化等步骤而形成的一种多孔膜。从分离机理而言，碳膜和有机膜不尽相同。对于有机膜，通常用传统的溶解-扩散机理来解释其分离特性。气体或液体在碳膜中的分离，则普遍认为是利用组分的不同传质特性来完成。由于气体、液体及其混合物，在碳膜微孔中具有不同的传质机理和扩散速度，从而实现其对待分离组分的分离。由此可见，碳膜丰富的孔结构和孔径分布，是其应用于膜分离领域，实现高效、快速、低能耗分离的根本原因。

碳膜的孔结构和孔径大小对膜性能影响巨大，因为平均孔径不同，起主导作用的分离机理也有所不同，从而表现出不同的分离特性。膜孔径的范围从数百nm直到数nm，传质控制机理主要为knudsen扩散和表面扩散。如果膜孔径进一步降低，当孔径降低到数nm以下，特别是2nm以下时，膜分离机理将以分子筛分机理为主。此时，膜孔径的大小及其分布将对膜的分离特性产生更为重要的影响。习惯上将膜孔径低于数nm、且其分离机理以分子筛分为主的这种碳膜称为分子筛碳膜。分子筛碳膜具有比普通有机膜及无机膜高得多的分离率(Koresh J etc,Sep SciTechnol,1987,22(2):973)，因而引起科研人员的极大兴趣。

但是，相比于有机膜，分子筛碳膜的制备过程要复杂得多(除了用聚合物前驱体制成有机膜，还需进行高温碳化将其转为无机碳膜、再活化调节孔结构和形态)，而且制备过程中影响因素错综复杂(碳化温度、保温时间、活化气氛等)，导致分子筛碳膜的形态结构和孔结构也异常复杂。更为重要的是，碳膜材料本身较脆，制备与加工时很容易出现碎裂、粉化等现象，导致成品率低、成本居高。上述困难，对于选择最佳碳膜构型、最佳制膜条件，控制膜结构、调控膜性能，开发出分离性能优异、加工性能良好的碳膜，增加了许多困难，也是分子筛碳膜走向规模化工业应用过程存在的巨大挑战。