[发明专利]一种耐高温PDMS/离子液体复合膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种耐高温PDMS/离子液体复合膜及其制备方法和应用，以α‑氧化铝片为基底，采用热滴涂法在基底表面涂覆一层介孔γ‑氧化铝层，将离子液体和PDMS的预聚物混合，通过旋涂法负载到基底表面得到厚度为1μm、致密无缺陷的复合膜。基于离子液体与PDMS之间具有物理交联相互作用，限制了聚合物链在高温下的变形，提高了聚合物膜的热稳定性；该制备方法过程简单，操作方便，实用性强。本发明所制备的复合膜具有良好的气体渗透分离性能及热稳定性，在150℃条件下CO₂渗透率达到7.1×10^‑9mol·m^‑2·s^‑1·Pa^‑1，CO₂/N₂混合气体选择性为21.4，超过了Robeson上限(2008)。

技术领域

本发明属于膜分离技术领，具体涉及一种耐高温PDMS/离子液体复合膜及其制备方法和应用。

背景技术

烟道气中CO₂的脱除是减少碳排放的重要途径，而在烟道气排放前就对CO₂进行捕获是控制温室气体排放的一项非常有效的措施。然而该项措施面临的挑战为CO₂含量较低(体积分数只有10-14％)，烟道气温度较高(高达75℃)，使得 CO₂的高效分离变得非常困难，因此需要发展更加有效的分离技术。近年来膜分离技术因其能耗低、效率高、操作方便等优势，在学术界及工业界备受关注。

众所周知，大多数聚合物膜在高温条件下容易溶胀，主要是由于聚合物链的移动性增加，这往往会导致分离性能下降。目前一些新型耐高温聚合物引起了研究者的专注，如聚苯并咪唑和聚苯并恶唑，但是这些聚合物在高温下的气体分离应用鲜有报道。聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)是一种典型的橡胶态聚合物膜，具有高的渗透性，主要是由于其具有灵活的硅氧键和松散的聚合物链，在高温下 PDMS膜会遭受聚合物链膨胀引起的选择性下降。为了解决这一难题，研究者通常采取以下两种方法：其一是引入热稳定性的多孔材料如MOFs、沸石纳米片等 (CN107737535A)，该方法面临的挑战主要有界面相容性较差；其二是用刚性聚合物链嫁接或交联处理来限制聚合物链的移动，这一方法的缺点是会引起聚合物膜的自由体积下降并伴随渗透性的下降。HyelimYou等人(RSCAdv.，2018，8， 1328)以哌嗪为媒介将聚酰亚胺(PI)与PDMS交联制备了PI-PDMS共聚物膜，共聚物膜的热稳定性得到提高，然而CO₂/N₂的选择性仅为15.7；Hong等人 (ChemSusChem，2015，8，3595)通过开环易位聚合制备了不同交联密度的PDMS- 降冰片烯共聚物膜，探究了交联密度对分离性能的影响，但没有探究温度对共聚物膜的CO₂/N₂分离性能的影响。因此，目前聚合物膜普遍存在热稳定性差的问题，不能用于高温烟道气中CO₂的分离。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种耐高温PDMS/离子液体复合膜的制备方法。

本发明的目的之二是提供上述制备方法制得的耐高温PDMS/离子液体复合膜，热稳定性好。

本发明的目的之三是提供上述复合膜在高温烟道气中CO₂脱除中的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种耐高温PDMS/离子液体复合膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)介孔γ-氧化铝层的制备：将适量α-氧化铝粉末压制成型，之后在空气气氛中煅烧得到α-氧化铝片，接着表面进行抛光处理；在抛光后的表面热滴凃一层勃姆石溶胶颗粒，然后在500～550℃条件下热处理2～3h，热滴凃和热处理过程重复多次得到一定厚度的γ-氧化铝层；最后洗涤，100～120℃过夜干燥，置于干燥器中备用；