CN105749769A - 一种离子液体共混膜的制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子液体共混的制备方法及应用,属于气体分离膜技术领域。其制备过程包括:制备聚氧乙烯?聚己内酰胺嵌段共聚物溶液,在溶液中加入咪唑型室温离子液体,制得铸膜液;室温下干燥,并在真空条件下进一步干燥而成。本发明的优点在于:制备方法简单,离子液体固定于高分子链中,流失率低。所制得的复合膜用于气体分离,具有优异的综合性能。特别地,使用填充40%质量分数1?丁基?2,3?二甲基咪唑六氟磷酸盐的共混膜具有高的CO2渗透速率和CO2/CH4、CO2/N2选择性,加湿条件下纯气测试CO2渗透系数可达695Barrer,CO2/CH4选择性为35,CO2/N2选择性为42。
Description
技术领域
本发明涉及一种离子液体共混膜的制备及应用,属于气体膜分离技术领域。
背景技术
近年来,随着工业的发展,化石燃料燃烧,产生了大量CO2气体。目前急需高效低成本的碳捕集技术。膜技术由于绿色、能耗低、设备投资低等优势得到了广泛关注,是目前有望大规模采用的技术之一。目前由于膜材料分离性能不高,限制了其进一步发展。设计制备具高渗透性和高选择性的膜材料是目前研究的热点。传统高分子材料具有良好的成膜性能和低成本特点,是膜材料的主体。但渗透性与选择性此消彼长的trade-off效应限制了膜材料的应用,基于高分子的研究在于继续提升膜的渗透性和选择性。
离子液体特别是室温离子液体由于低挥发性,是一种理想的应用于碳捕集的材料,在吸收领域已得到了较为广泛的应用。目前离子液体膜主要制备为支撑液膜,其机械稳定性较差,特别在高压条件下,离子液体容易流失。将离子液体与高分子材料共混,利用高分子链段与粒子液体间的强弱相互作用来制备膜材料,是一种行之有效的方法。目前离子液体与高分子共混膜已有部分应用与气体分离领域,以成膜性能良好的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物作为主体有望改善离子液体的稳定性。特别对于咪唑型离子液体,将其共混于高分子后,在加湿条件下可以发挥咪唑基团的促进传递作用,从而显著改善膜的分离性能。
发明内容
本发明的目的在于一种离子液体共混膜的制备方法和应用。以此方法制备的离子液体共混膜用于分离CO2/CH4、CO2/N2混合物,具有较高的CO2渗透速率和分离因子。
本发明提出的一种离子液体共混膜,主要组分为聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物以及咪唑型离子液体;其中,咪唑型离子液体的质量分数为5-50%。
其中,所述咪唑型离子液体为1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3甲基咪唑二氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基盐中任一含咪唑的室温离子液体。
制备上述离子液体共混膜的方法,包括以下步骤:
步骤一、将一定质量的聚氧乙烯链段质量分数为55-60%的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物加入质量分数为65-75%的乙醇溶液中,回流加热到75~90℃,使其中的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物完全溶解,冷却至室温,制得质量分数为2-7%的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物溶液;
步骤二、取一定质量的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物溶液,滴加入咪唑型离子液体制得混合溶液A,其中,所述咪唑型离子液体占聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物的质量分数为5-50%,磁力搅拌使其中的咪唑型离子液体完全溶解,冷却至室温制得铸膜液;
步骤三、将步骤二制得的铸膜液加入聚四氟乙烯培养皿中,室温下固化成膜,于35-60℃真空条件下干燥24~48h,即得离子液体共混膜。
将本发明的离子液体共混膜用于气体分离中,尤其是用于CO2/CH4或CO2/N2的分离。
本发明的优点在于:制备方法简单,离子液体固定于高分子链中,流失率低。所制得的复合膜用于气体分离,具有优异的综合性能。特别地,使用填充50%质量分数1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐的共混膜具有高的CO2渗透速率和CO2/CH4、CO2/N2选择性,加湿条件下纯气测试CO2渗透系数可达695Barrer,CO2/CH4选择性为35,CO2/N2选择性为42。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述,所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明,并不用以限制本发明。
实施例1、一种离子液体共混膜的制备,包括以下步骤:
步骤一、称取0.5g聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物(商品名为Pebax 1657)、7g无水乙醇和3g去离子水,加入带冷凝管的三口烧瓶中,在80℃的恒温水浴中,以500r/min的速度回流搅拌2h,使其中的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物全部溶解。
步骤二、称取0.25g 1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐,逐滴加入步骤一制得的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物溶液中,以1000r/min的速度磁力搅拌2h,冷却至室温制得铸膜液;
步骤三、将铸膜液静置脱泡后倾倒于洁净的聚四氟乙烯培养皿(Φ100mm)中,室温下干燥24h固化成膜,然后在45℃、真空条件下干燥24h,得到厚度约100μm的离子液体共混膜。
将上述制得的离子液体共混膜在室温、测试压力为2bar的条件下,以纯气体在加湿条件下测试,CO2渗透系数为695barrer(1barrer=10-10cm3(STP)cm/(cm2s cmHg)),CO2/N2分离因子为42,CO2/CH4分离因子为35。
实施例2、一种离子液体共混膜的制备,制备过程与实施例1基本一致,不同之处在于:步骤二中1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐的质量为0.025g。
测试条件与实施例1相同,以纯气体在加湿条件下测试,CO2渗透系数为484barrer(1barrer=10-10cm3(STP)cm/(cm2s cmHg)),CO2/N2分离因子为26,CO2/CH4分离因子为22。
实施例3、一种离子液体共混膜的制备,制备过程与实施例1基本一致,不同之处在于:步骤二中1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐的质量为0.10g。
测试条件与实施例1相同,以纯气体在加湿条件下测试,CO2渗透系数为580barrer(1barrer=10-10cm3(STP)cm/(cm2s cmHg)),CO2/N2分离因子为31,CO2/CH4分离因子为33。
实施例4、一种离子液体共混膜的制备,制备过程与实施例1基本一致,不同之处在于:步骤二中,咪唑型离子液体为1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐,其质量为0.25g。
测试条件与实施例1相同,以纯气体在加湿条件下测试,CO2渗透系数为553barrer(1barrer=10-10cm3(STP)cm/(cm2s cmHg)),CO2/N2分离因子为38,CO2/CH4分离因子为30。
实施例5、一种离子液体共混膜的制备,制备过程与实施例1基本一致,不同之处在于:步骤二中,咪唑型离子液体为1-丁基-3甲基咪唑二氰胺盐,其质量为0.25g。
测试条件与实施例1相同,以纯气体在加湿条件下测试,CO2渗透系数为496barrer(1barrer=10-10cm3(STP)cm/(cm2s cmHg)),CO2/N2分离因子为34,CO2/CH4分离因子为26。
实施例6、一种离子液体共混膜的制备,制备过程与实施例1基本一致,不同之处在于:步骤二中,咪唑型离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基盐,其质量为0.25g。
测试条件与实施例1相同,以纯气体在加湿条件下测试,CO2渗透系数为633barrer(1barrer=10-10cm3(STP)cm/(cm2s cmHg)),CO2/N2分离因子为29,CO2/CH4分离因子为24。
对比例1、一种杂化膜的制备,制备过程是:称取0.5g聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物(商品名为Pebax 1657)、7g无水乙醇和3g去离子水,加入带冷凝管的三口烧瓶中,在80℃的恒温水浴中,以500r/min的速度回流搅拌2h,使其中的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物全部溶解,得到铸膜液,将得到的铸膜液静置脱泡后倾倒于洁净的聚四氟乙烯培养皿(Φ100mm)中,室温下干燥24h,然后在45℃、真空条件下干燥24h,得到厚度约100μm杂化膜。
测试条件与实施例1相同,以纯气体在加湿条件下测试,CO2渗透系数为460barrer(1barrer=10-10cm3(STP)cm/(cm2s cmHg)),CO2/N2分离因子为22,CO2/CH4分离因子为18。
综上,本发明制备过程中,选用1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐制备的离子液体的CO2渗透系数和CO2/N2,CO2/CH4分离因子最高。随咪唑型离子液体添加量的增大,CO2渗透系数和CO2/N2,CO2/CH4分离因子都随之增大。
尽管上面对本发明进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨的情况下,还可以作出很多变形,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种离子液体共混膜,其特征在于,主要组分为聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物以及咪唑型离子液体;其中,咪唑型离子液体的质量分数为5-50%。
2.如权利要求1所述的离子液体共混膜,其特征在于,所述咪唑型离子液体为1-丁基-2,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐、1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3甲基咪唑二氰胺盐、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲基盐中任一含咪唑的室温离子液体。
3.一种制备如权利要求1或2所述离子液体共混膜的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、将一定质量的聚氧乙烯链段质量分数为55-60%的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物加入质量分数为65-75%的乙醇溶液中,回流加热到75~90℃,使其中的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物完全溶解,冷却至室温,制得质量分数为2-7%的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物溶液;
步骤二、取一定质量的聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物溶液,滴加入咪唑型离子液体制得混合溶液A,其中,所述咪唑型离子液体占聚氧乙烯-聚己内酰胺嵌段共聚物的质量分数为5-50%,磁力搅拌使其中的咪唑型离子液体完全溶解,冷却至室温制得铸膜液;
步骤三、将步骤二制得的铸膜液加入聚四氟乙烯培养皿中,室温下固化成膜,于35-60℃真空条件下干燥24~48h,即得离子液体共混膜。
4.如权利要求3所述制备方法制得的离子液体共混膜的应用,其特征在于,用于气体分离。
5.如权利要求4所述离子液体共混膜的应用,其特征在于,用于CO2/CH4或CO2/N2的分离。
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