[发明专利]两性离子-氧化石墨烯薄膜及其在CO2

说明书

本发明属于气体分离膜技术领域，特别涉及一种两性离子‑氧化石墨烯薄膜的制备以及在气体分离领域的应用。所述薄膜由氧化石墨烯、两性离子、添加剂A或添加剂B组成，其制备方法包括如下过程：(1)配制氧化石墨烯、两性离子以及添加剂A的混合液；(2)将该混合液加入以多孔支撑膜为滤膜的过滤装置；(3)将过滤装置在摇床上振荡处理；(4)停止振荡，真空抽滤；(5)对膜进行热处理。或在第(1)步配制氧化石墨烯、两性离子的混合液，并在第(4)步抽滤后继续将添加剂B的前驱体溶液加入过滤装置进行二次抽滤。本发明的优点包括：制备简单，条件温和，制得的膜具有优异的CO₂/N₂分离性能。

技术领域

本发明属于CO₂膜分离技术领域，将两性离子甜菜碱与添加剂引入氧化石墨烯层间，制备两性离子-添加剂-氧化石墨烯层状膜。主要涉及一种离子传递机制应用于快速CO₂分离领域。

背景技术

膜分离作为新兴的二氧化碳分离技术，具有着环境友好、能耗低、操作简单等优势。膜材料作为膜技术的核心要素，应具备高通量、适宜选择性、良好稳定性和较好的加工性能。传统的高分子复合膜由于存在孔渗、trade-off效应而无法实现高CO₂渗透通量。二维纳米材料，如氧化石墨烯(GO)，由于其优异的分子运输性质而显示出分离应用的巨大潜力。由二维片层材料制备的无机层状膜由于其结构特征，在气体分离上存在着以下优势：1)孔道有序；2)易制备薄膜；3)利用其“互锁”结构实现大面积无缺陷薄膜的制备。

对于CO₂分离体系，目前已有的无机层状膜(少数GO膜除外) 很难实现CO₂的优先透过。这是由于CO₂与其他气体分子(如N₂、 CH₄)之间的分子尺寸相差不明显，同时层状膜内部容易生成不同尺度的孔道，进而导致无法设计出优先透过CO₂的膜结构。目前，基于层间通道的物理化学环境调控，GO膜在CO₂分离领域已经取得一定的进展。Zhou等人(Nat.Commun.,2017,8)通过两步真空抽滤沉积工艺法制备了层间接枝刷状哌嗪的中空纤维GO层状膜，基于化学键合实现层间距的调控。哌嗪作为CO₂的促进传递载体被引入GO层间，增加膜内CO₂亲和位点，以实现CO₂渗透速率和CO₂/N₂选择性的增加。Wang等人(EnergyEnviron.Sci.,2016,9,3107-3112)通过真空抽滤法制备了硼酸交联的GO层状膜，通过向GO层状膜引入通过共价键合的硼酸酯基团实现层间距的调控和膜机械性能的提升。在湿态下，利用硼酸模仿碳酸酐酶催化CO₂水合生成碳酸氢根，以实现膜内 CO₂的促进传递。

上述工作均利用了促进传递原理，创造了有利于碳酸氢根生成的条件，但却没有创造有利于离子传递的条件。基于对离子传递原理和 CO₂水合反应产生质子这一事实的认识，我们可以设计出离子传递通道，实现碳酸氢根和质子的同时转移，进而以实现二氧化碳的传递。两性离子自身具备阴阳离子，且正负电荷中心分离，满足在膜内构建离子传递通道的要求。同时引入碱性添加剂哌嗪，有利于促使碳酸氢根解离，进一步强化离子传递的效果。同时引入碳量子点，有利于增大氧化石墨烯的层间距，获得更好的CO₂渗透性。

发明内容

本发明的目的是将两性离子引入氧化石墨烯层间以促进CO₂传递，实现高效分离。即将离子型分子引入层间构建离子传递通道，加快二氧化碳水合反应产生的碳酸氢根和氢质子的转移，实现二氧化碳气体分离的强化。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种两性离子-氧化石墨烯薄膜，其成分包括氧化石墨烯、两性离子和添加剂A或添加剂B，其中的两性离子包括但不限于羧酸甜菜碱、磺酸甜菜碱等，添加剂A 为小分子有机胺化合物，包括但不限于哌嗪，添加剂B为碳量子点。