CN102489182B - 非离子表面活性剂凝胶气体分离膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜及其制备方法，采用以下工艺步骤，其组份比例按重量份数计：（1）制膜液的制备：将10～20份聚合物、10～20份非离子表面活性剂和60～80份溶剂在20～60℃下，搅拌混合3～6小时后，搅拌速度为50～300转/分钟，得到均匀透明的制膜液；（2）将制膜液在玻璃板上采用不锈钢刮刀刮涂得到厚度为200～500μm的液膜，刮涂温度为20～50℃，将液膜在室温下空气干燥24～48小时，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜。本发明所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜采用聚合物与非离子表面活性剂形成凝胶状结构，可获得较高的气体渗透率和分离选择性，同时又具有很好的机械强度，具有广阔的工业化应用前景。

Description

非离子表面活性剂凝胶气体分离膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜及其制备方法，属于膜分离技术领域。
背景技术
近年来，随着环境保护意识的不断加强，分离回收温室气体二氧化碳已经成为人们普遍关注的一个焦点，作为二氧化碳的主要排放源，化石燃料燃烧尾气中的二氧化碳分离回收尤其受到关注。目前，用于二氧化碳分离的方法主要有物理吸收法、物理吸附法、化学吸收法、低温冷凝法和气体膜分离法。其中气体膜分离技术是20世纪80年代开发成功的一种高新技术，其研究和开发已成为世界各国在高新技术领域中竞争的热点。
可用于二氧化碳分离与浓缩的膜技术主要有支撑液膜技术、固体膜技术和凝胶膜技术。支撑液膜由膜液和聚合物支撑体构成，膜液内含有载体，载体与二氧化碳反应使二氧化碳溶解于膜液中，在压力差、浓度差的推动下，二氧化碳与载体反应生成的物质穿过膜，在膜的另一侧将二氧化碳释放出来。支撑液膜的气体扩散系数一般比聚合物膜大，选择性较高，但是，在较高压力差下，膜中的液体流失严重，膜的机械稳定性和性能稳定性较差。固体膜技术主要指高分子致密膜，膜材料种类繁多，且制备工艺简单，目前研究较多且适合用于二氧化碳分离的膜材料主要有聚酰亚胺、醋酸纤维素等。高分子致密膜材料的气体选择性与渗透性之间存在一个上限－Robeson上限，表现为膜材料对气体的选择性和渗透通量的提高出现矛盾，这在一定程度上限制了高分子气体分离膜在CO2分离技术中的应用。凝胶膜是近年来新兴的膜技术，其内部是聚合物与功能性液体形成的凝胶状结构，具有较高的气体渗透率和选择性，功能性液体主要以对二氧化碳有很强吸附能力的离子液体为主。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜及其制备方法，采用聚合物与非离子表面活性剂形成凝胶状结构，具有较高的气体渗透率和分离选择性，同时又具有很好的机械强度。
按照本发明提供的技术方案，一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜，特征是，包括以下组份，组份比例按重量份数计：10～20份聚合物、10～20份非离子表面活性剂、60～80份溶剂；所述聚合物为聚（乙烯-醋酸乙烯酯）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸甲酯中的一种或多种的混合物；所述非离子表面活性剂为吐温20、吐温80、司盘20、司盘80、曲拉通X-100或曲拉通X-114；所述溶剂为四氢呋喃、丙酮、氯仿、乙酯乙酯或乙酸异丙酯；
将聚合物、非离子表面活性剂和溶剂搅拌混合，得到均匀透明的制膜液；在玻璃板上刮涂制膜液，得到液膜，将液膜干燥，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜。
所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的厚度为100～300μm。
本发明还保护一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的制备方法，特征是，采用以下工艺步骤，其组份比例按重量份数计：
（1）制膜液的制备：将10～20份聚合物、10～20份非离子表面活性剂和60～80份溶剂在20～60℃下，搅拌混合3～6小时后，搅拌速度为50～300转/分钟，得到均匀透明的制膜液；
（2）将制膜液在玻璃板上采用不锈钢刮刀刮涂得到厚度为200～500μm的液膜，刮涂温度为20～50℃，将液膜在室温下空气干燥24～48小时，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜。
本发明所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜采用聚合物与非离子表面活性剂形成凝胶状结构，可获得较高的气体渗透率和分离选择性，同时又具有很好的机械强度，具有广阔的工业化应用前景，具体如下优点：
1、所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的内部为聚合物与表面活性剂形成的凝胶状结构，可获得较高的气体渗透率和分离选择性；
2、所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜内的功能性液体为非离子表面活性剂，其价格低廉，对二氧化碳的吸附能力强；
3、所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的制备方法采用溶剂蒸发法，制备工艺简单，操作方便，效率高，生产重复性好；
4、所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的结构可控性强。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的制备方法，采用以下工艺步骤，其组份比例按重量份数计：
（1）制膜液的制备：将10份聚（乙烯-醋酸乙烯酯）、20份吐温20和70份四氢呋喃在20℃下，搅拌混合3小时后，搅拌速度为300转/分钟，得到均匀透明的制膜液；
（2）将制膜液在玻璃板上采用不锈钢刮刀刮涂得到厚度为500μm的液膜，刮涂温度为20℃，将液膜在室温下空气干燥48小时，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜。所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的厚度为300μm。
将实施例一得到的凝胶气体分离膜放入渗透池中，在20℃和0.1MPa的条件下，用纯CO2和N2分别测定它们的气体渗透率Ji和理想选择性αi/j；
J i = Q i ΔP × A - - - ( 1 )
式（1）中Qi指CO2和N2在标准状态下的体积流量，cm3/s；ΔP为渗透压差，单位为Pa；A为膜面积，单位为cm2；Ji为气体渗透率，单位为barrer：
α i / j = J i J j - - - ( 2 )
式（2）中Ji、Jj为气体渗透率，单位为barrer，下标i和j分别指CO2和N2。
测得凝胶气体分离膜对二氧化碳的渗透率为316barrer，膜对二氧化碳和氮气的选择性为32。
实施例二：一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的制备方法，采用以下工艺步骤，其组份比例按重量份数计：
（1）制膜液的制备：将20份聚甲基丙烯酸甲酯、10份吐温80和70份丙酮在30℃下，搅拌混合6小时后，搅拌速度为50转/分钟，得到均匀透明的制膜液；
（2）将制膜液在玻璃板上采用不锈钢刮刀刮涂得到厚度为200μm的液膜，刮涂温度为50℃，将液膜在室温下空气干燥48小时，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜。所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的厚度为100μm。
实施例二得到的凝胶气体分离膜对二氧化碳的渗透率为225barrer，膜对二氧化碳和氮气的选择性为64。
实施例三：一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的制备方法，采用以下工艺步骤，其组份比例按重量份数计：
（1）制膜液的制备：将20份聚丙烯酸甲酯、20份司盘20和60份乙酸乙酯在40℃下，搅拌混合6小时后，搅拌速度为300转/分钟，得到均匀透明的制膜液；
（2）将制膜液在玻璃板上采用不锈钢刮刀刮涂得到厚度为300μm的液膜，刮涂温度为50℃，将液膜在室温下空气干燥48小时，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜。所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的厚度为200μm。
实施例三得到的凝胶气体分离膜对二氧化碳的渗透率为347barrer，膜对二氧化碳和氮气的选择性为54。
实施例四：一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的制备方法，采用以下工艺步骤，其组份比例按重量份数计：
（1）制膜液的制备：将10份聚（乙烯-醋酸乙烯酯）、10份司盘80和80份氯仿在40℃下，搅拌混合6小时后，搅拌速度为2300转/分钟，得到均匀透明的制膜液；
（2）将制膜液在玻璃板上采用不锈钢刮刀刮涂得到厚度为200μm的液膜，刮涂温度为50℃，将液膜在室温下空气干燥48小时，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜。所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的厚度为100μm。
实施例四得到的凝胶气体分离膜对二氧化碳的渗透率为389barrer，膜对二氧化碳和氮气的选择性为43。
实施例五：一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的制备方法，采用以下工艺步骤，其组份比例按重量份数计：
（1）制膜液的制备：将10份聚（乙烯-醋酸乙烯酯）、10份曲拉通X-100和80份乙酸异丙酯在60℃下，搅拌混合6小时后，搅拌速度为100转/分钟，得到均匀透明的制膜液；
（2）将制膜液在玻璃板上采用不锈钢刮刀刮涂得到厚度为200μm的液膜，刮涂温度为40℃，将液膜在室温下空气干燥48小时，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜。所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的厚度为100μm。
实施例五得到的凝胶气体分离膜对二氧化碳的渗透率为460barrer，膜对二氧化碳和氮气的选择性为66。
实施例六：一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的制备方法，采用以下工艺步骤，其组份比例按重量份数计：
（1）制膜液的制备：将5份聚（乙烯-醋酸乙烯酯）、5份聚甲基丙烯酸甲酯、10份曲拉通X-114和80份四氢呋喃在40℃下，搅拌混合6小时后，搅拌速度为300转/分钟，得到均匀透明的制膜液；
（2）将制膜液在玻璃板上采用不锈钢刮刀刮涂得到厚度为200μm的液膜，刮涂温度为40℃，将液膜在室温下空气干燥24小时，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜。所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的厚度为100μm。
实施例六得到凝胶气体分离膜对二氧化碳的渗透率为437barrer，膜对二氧化碳和氮气的选择性为54。

Claims (3)

1. 一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜，其特征是，包括以下组份，组份比例按重量份数计：10～20份聚合物、10～20份非离子表面活性剂、60～80份溶剂；所述聚合物为聚（乙烯-醋酸乙烯酯）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸甲酯中的一种或多种的混合物；所述非离子表面活性剂为吐温20、吐温80、司盘20、司盘80、曲拉通X-100或曲拉通X-114；所述溶剂为四氢呋喃、丙酮、氯仿、乙酯乙酯或乙酸异丙酯；将聚合物、非离子表面活性剂和溶剂搅拌混合，得到均匀透明的制膜液；在玻璃板上刮涂制膜液，得到液膜，将液膜干燥，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜。
2.如权利要求1所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜，其特征是：所述非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的厚度为100～300μm。
3.一种非离子表面活性剂凝胶气体分离膜的制备方法，其特征是，采用以下工艺步骤，其组份比例按重量份数计：
（1）制膜液的制备：将10～20份聚合物、10～20份非离子表面活性剂和60～80份溶剂在20～60℃下，搅拌混合3～6小时后，搅拌速度为50～300转/分钟，得到均匀透明的制膜液；
（2）将制膜液在玻璃板上采用不锈钢刮刀刮涂得到厚度为200～500μm的液膜，刮涂温度为20～50℃，将液膜在室温下空气干燥24～48小时，即得到所述的非离子表面活性剂凝胶气体分离膜；
所述聚合物为聚（乙烯-醋酸乙烯酯）、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸甲酯中的一种或多种的混合物；
所述非离子表面活性剂为吐温20、吐温80、司盘20、司盘80、曲拉通X-100或曲拉通X-114；
所述溶剂为四氢呋喃、丙酮、氯仿、乙酯乙酯或乙酸异丙酯。
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