CN103372377B - 用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)咪唑型离子液体凝胶的制备：将凝胶因子加入到咪唑型离子液体中，所述的凝胶因子的含量为咪唑型离子液体质量的1～10wt％，在室温下，搅拌、研磨或者超声处理5～60分钟，制得咪唑型离子液体凝胶；(2)离子液体凝胶支撑液膜的制备：使用浸渍法或加压法将步骤(1)所得咪唑型离子液体凝胶填充到多孔支撑材料上，制得离子液体凝胶支撑液膜。与现有技术相比，本发明支撑液膜用于分离气相混合物，可以得到良好的分离效果，以及优异的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于膜分离领域，特别涉及一种咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，特别涉及该离子液体凝胶支撑液膜应用于气体分离。
背景技术
离子液体有较强的形成氢键的能力，界面能较低，易形成有序结构，可与许多小分子有机物或无机物形成物理凝胶(又名超分子凝胶)。常用离子液体凝胶剂种类较多，主要有：有机物类(小分子量凝胶剂，生物高分子)，无机物类(如碳纳米管，氧化硅)，有机-无机杂化物类。其中，Ueno等人(Ueno K，Hata K，KatakabeT，Kondoh M，Watanabe M.J.Phys.Chem.B，2008，112：9013-9019)将表面带有亲水Si-OH基团的直径12nm的二氧化硅纳米颗粒与离子液体通过物理搅拌的方式混合均匀，然后再通过脱气泡和干燥过程即制备了离子液体凝胶，并应用于电化学方面。
离子液体支撑液膜已经在有机物分离、气体分离、分离反应耦合等方面有所研究及应用，其制备方法主要有涂布法、浸渍法和加压填充法。其中王保国等(有机溶剂分离用的离子液体支撑液膜的制备方法，CN101229486A)已经公开了一种用于分离气相有机溶剂混合物的离子液体“填充型”支撑液膜的制备方法，他们采用加压方式把室温离子液体压入耐有机溶剂的多孔膜材料中制备支撑液膜，既提高膜性能的稳定性，又延长使用寿命，进一步促进支撑液膜分离技术的工业化。
理想的支撑液膜应具有液膜的优良传递特性而又具有固体膜的机械稳定性，凝胶作为一种介于固、液相之间的特殊物质，其网络结构同时具有较好的液体传递性和固体形态的稳定性，因此对液膜相进行凝胶化是一种有效的提高支撑液膜稳定性方法。2009年Voss等(Voss BA，Bara JE，Gin DL，Noble RD.Chem.Mater.，2009，21(14)：3027-3029)以12-羟基硬脂酸为凝胶剂(1.5wt％)对离子液体[hmim][Tf2N]的凝胶化进行了初步探索，凝胶剂在离子液体中通过氢键、范德华力及π-π键等凝胶化驱动力，自组装成三维网状结构，并将离子液体包含在网状结构中。以凝胶化[hmim][Tf2N]制得的支撑液膜对CO2的渗透系数比具有类似结构的离子液体聚合物膜高出两个数量级，选择性与纯[hmim][TF2N]的近似，显示出凝胶化离子液体聚合物膜在CO2分离上的巨大潜力。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种分离效果好、稳定性好的用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)咪唑型离子液体凝胶的制备
将凝胶因子加入到咪唑型离子液体中，所述的凝胶因子的含量为咪唑型离子液体质量的1～10wt％，在室温下，搅拌、研磨或者超声处理5～60分钟，制得咪唑型离子液体凝胶；
(2)离子液体凝胶支撑液膜的制备
使用浸渍法或加压法将步骤(1)所得咪唑型离子液体凝胶填充到多孔支撑材料上，制得离子液体凝胶支撑液膜。
步骤(1)所述的凝胶因子为纳米级二氧化硅或碳纳米管。
步骤(1)所述的咪唑型离子液体中阳离子为咪唑型阳离子，阴离子为四氟硼酸根、六氟磷酸根、三氟甲磺酸根或双三氟甲磺酰亚胺根。
步骤(2)所述的浸渍法是将耐有机溶剂的多孔支撑膜放在真空干燥箱中真空干燥，除去膜孔内残留的空气后取出，在多孔支撑膜表面均匀涂布咪唑型离子液体凝胶，使咪唑型离子液体凝胶将多孔支撑膜完全覆盖，然后储存于20～60℃的真空干燥箱内静置4～24小时，再用滤纸拭去多孔支撑膜表面残留的离子液体凝胶，即制得离子液体凝胶支撑液膜。
步骤(2)所述的加压法是将咪唑型离子液体凝胶均匀覆盖在耐有机溶剂的多孔支撑膜上，之后置于常用膜分离装置中，在20～60℃范围内，使惰性气体在多孔支撑膜表面形成40～300kPa的压力，持续5～60分钟，取出多孔支撑膜，擦去多孔支撑膜表面残余凝胶，即制得离子液体凝胶支撑液膜。
所述的惰性气体为氮气、氦气、氩气。
所述的耐有机溶剂的多孔支撑膜为高分子膜或无机多孔微滤膜，所述的高分子膜包括聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚砜膜、聚醚砜膜或尼龙膜，所述的无机多孔微滤膜包括二氧化硅膜、氧化铝膜。
所得离子液体凝胶支撑液膜用于分离的气体为混合气体，包括二氧化碳、二氧化硫、氢气、氮气、甲烷、一氧化碳以及空气中任一组分和其他组分组成的混合物，可以简化为CO2/H2，CO2/CH4，SO2/CH4，CO2/N2，CO2/CO，CO2/Air气体对。
与现有技术相比，本发明采用纳米级二氧化硅或碳纳米管作为凝胶因子与咪唑型离子液体进行反应制得咪唑型离子液体凝胶，使用浸渍法或加压法将离子液体凝胶填充到多孔支撑材料上，制备离子液体凝胶支撑液膜。由于离子液体凝胶形成了良好的空间网状结构，可表现出更好的CO2溶解吸附性能，并且离子液体凝胶能更有效地填充进入支撑膜的孔道中(见图1)。因此离子液体凝胶支撑液膜用于分离CO2和其他气体，可以得到良好的分离效果，并具有优异的稳定性。
附图说明
图1为本发明凝胶支撑液膜截断面扫描电镜图(×900和×10.0k)。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶，用下述方法制成：取1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([bmim][PF6])7.005g加入到Φ＝27mm，H＝58mm螺纹口瓶中，再加入0.143g纳米级SiO2，将螺纹口瓶放在磁力搅拌器上搅拌20min，混合体系失去了流动性，成透明的半固体状物质，即制得[bmim][PF6]凝胶。
用于气体分离的离子液体凝胶支撑液膜，用下述方法制成：取上述[bmim][PF6]凝胶若干均匀覆盖在疏水聚偏氟乙烯膜(PVDF)上，之后置于常用膜分离装置中，在40℃温度下，保持N2在支撑膜表面形成100kPa的压力，持续30min，打开膜分离装置，擦去膜表面残余凝胶，即制备出一种离子液体凝胶支撑液膜。然后将该膜放置于常用膜分离装置中，用于分离CO2/CH4气体，CO2的渗透率64～640barrers，理想分离因子为8～25，连续操作24小时以上膜分离性能保持基本不变。
实施例2
一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶，用下述方法制成：取7.000g[bmim][PF6]加入到Φ＝27mm，H＝58mm螺纹口瓶中，再加入0.216g纳米级SiO2，将螺纹口瓶放在磁力搅拌器上搅拌20min，混合体系失去了流动性，成透明的半固体状物质，即制得[bmim][PF6]凝胶。
用于气体分离的离子液体凝胶支撑液膜，用下述方法制成：取上述[bmim][PF6]凝胶若干均匀覆盖在疏水PVDF上，之后置于常用膜分离装置中，在40℃温度下，保持N2在支撑膜表面形成100kPa的压力，持续30min，打开膜分离装置，擦去膜表面残余凝胶，即制备出一种离子液体凝胶支撑液膜。然后将该膜放置于常用膜分离装置中，用于分离CO2/N2气体，CO2的渗透率64～640barrers，理想分离因子为8～25，连续操作24小时以上膜分离性能保持基本不变。
实施例3
一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶，用下述方法制成：取6.003g[bmim][PF6]加入到Φ＝27mm，H＝58mm螺纹口瓶中，再加入0.314g纳米级SiO2，将螺纹口瓶放在磁力搅拌器上搅拌20min，混合体系失去了流动性，成透明的半固体状物质，即制得[bmim][PF6]凝胶。
用于气体分离的离子液体凝胶支撑液膜，用下述方法制成：将多孔支撑膜聚砜膜放在真空干燥箱中真空干燥以除去膜孔内残留的空气。将多孔支撑膜从真空干燥箱中取出，在膜表面均匀涂布上述[bmim][PF6]凝胶，确保离子液体凝胶将多孔膜完全覆盖，将其储存于20℃的真空干燥箱内静置24小时。然后用滤纸拭去膜表面残留的离子液体凝胶，即制得离子液体凝胶支撑液膜。
实施例4
一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶，用下述方法制成：取3.003g1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([bmim][BF4])加入到Φ＝27mm，H＝58mm螺纹口瓶中，再加入0.194g纳米级SiO2，将螺纹口瓶放在磁力搅拌器上搅拌60min，混合体系失去了流动性，成透明的半固体状物质，即制得[bmim][BF4]凝胶。
用于气体分离的离子液体凝胶支撑液膜，用下述方法制成：将多孔支撑膜聚砜膜放在真空干燥箱中真空干燥以除去膜孔内残留的空气。将多孔支撑膜从真空干燥箱中取出，在膜表面均匀涂布上述[bmim][BF4]凝胶，确保离子液体凝胶将多孔膜完全覆盖，将其储存于60℃的真空干燥箱内静置4小时。然后用滤纸拭去膜表面残留的离子液体凝胶，即制得离子液体凝胶支撑液膜。
实施例5
一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶，用下述方法制成：取3.008g 1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酸亚胺盐[bmim][Tf2N]加入到Φ＝27mm，H＝58mm螺纹口瓶中，再加入0.062g纳米级SiO2，将螺纹口瓶放在磁力搅拌器上搅拌20min，混合体系失去了流动性，成透明的半固体状物质，即制得[bmim][Tf2N]凝胶。
用于气体分离的离子液体凝胶支撑液膜，用下述方法制成：取[bmim][Tf2N]凝胶若干均匀覆盖在疏水PVDF上，之后置于常用膜分离装置中，在40℃温度下，保持N2在支撑膜表面形成200kPa的压力，持续10min，打开膜分离装置，擦去膜表面残余凝胶，即制备出一种离子液体凝胶支撑液膜。然后将该膜放置于常用膜分离装置中，用于分离CO2/CH4气体，CO2的渗透率64～640barrers，理想分离因子为8～20，连续操作24小时以上膜分离性能保持基本不变。
实施例6
一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)咪唑型离子液体凝胶的制备
将单壁碳纳米管加入到咪唑型离子液体中，所述的单壁碳纳米管的含量为咪唑型离子液体质量的1wt％，在室温下，搅拌、研磨或者超声处理60分钟，制得咪唑型离子液体凝胶；其中咪唑型离子液体中阳离子为咪唑型阳离子，阴离子为四氟硼酸根；
(2)离子液体凝胶支撑液膜的制备
将上述离子液体凝胶均匀覆盖在尼龙膜上，之后置于常用膜分离装置中，在40℃条件下，使惰性气体(如N2)在支撑膜表面形成100kPa的压力，持续60分钟，取出支撑膜，擦去膜表面残余凝胶，即制备出一种离子液体凝胶支撑液膜。
实施例7
一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)咪唑型离子液体凝胶的制备
将单壁碳纳米管加入到咪唑型离子液体中，所述的单壁碳纳米管的含量为咪唑型离子液体质量的2wt％，在室温下，搅拌、研磨或者超声处理60分钟，制得咪唑型离子液体凝胶；其中咪唑型离子液体中阳离子为咪唑型阳离子，阴离子为双三氟甲磺酰亚胺根；
(2)离子液体凝胶支撑液膜的制备
将上述离子液体凝胶均匀覆盖在尼龙膜上，之后置于常用膜分离装置中，在40～60℃范围内，使惰性气体(如N2)在支撑膜表面形成200kPa的压力，持续60分钟，取出支撑膜，擦去膜表面残余凝胶，即制备出一种离子液体凝胶支撑液膜。
所得离子液体凝胶支撑液膜用于分离的气体为混合气体，包括二氧化碳、二氧化硫、氢气、氮气、甲烷、一氧化碳以及空气中任一组分和其他组分组成的混合物，可以简化为CO2/H2，CO2/CH4，SO2/CH4，CO2/N2，CO2/CO，CO2/Air气体对。
Claims (6)
1.一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)咪唑型离子液体凝胶的制备
将凝胶因子加入到咪唑型离子液体中，所述的凝胶因子的含量为咪唑型离子液体质量的1～10wt％，在室温下，搅拌、研磨或者超声处理5～60分钟，制得咪唑型离子液体凝胶；
(2)离子液体凝胶支撑液膜的制备
使用浸渍法或加压法将步骤(1)所得咪唑型离子液体凝胶填充到多孔支撑材料上，制得离子液体凝胶支撑液膜；
步骤(2)所述的浸渍法是将耐有机溶剂的多孔支撑膜放在真空干燥箱中真空干燥，除去膜孔内残留的空气后取出，在多孔支撑膜表面均匀涂布咪唑型离子液体凝胶，使咪唑型离子液体凝胶将多孔支撑膜完全覆盖，然后储存于20～60℃的真空干燥箱内静置4～24小时，再用滤纸拭去多孔支撑膜表面残留的离子液体凝胶，即制得离子液体凝胶支撑液膜；
步骤(2)所述的加压法是将咪唑型离子液体凝胶均匀覆盖在耐有机溶剂的多孔支撑膜上，之后置于常用膜分离装置中，在20～60℃范围内，使惰性气体在多孔支撑膜表面形成40～300kPa的压力，持续5～60分钟，取出多孔支撑膜，擦去多孔支撑膜表面残余凝胶，即制得离子液体凝胶支撑液膜。
2.根据权利要求1所述的一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的凝胶因子为纳米级二氧化硅或碳纳米管。
3.根据权利要求1所述的一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述的咪唑型离子液体中阳离子为咪唑型阳离子，阴离子为四氟硼酸根、六氟磷酸根、三氟甲磺酸根或双三氟甲磺酰亚胺根。
4.根据权利要求1所述的一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气、氦气、氩气。
5.根据权利要求1所述的一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，其特征在于，所述的耐有机溶剂的多孔支撑膜为高分子膜或无机多孔微滤膜，所述的高分子膜包括聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚砜膜、聚醚砜膜或尼龙膜，所述的无机多孔微滤膜包括二氧化硅膜、氧化铝膜。
6.根据权利要求1所述的一种用于气体分离的咪唑型离子液体凝胶支撑液膜的制备方法，其特征在于，所得离子液体凝胶支撑液膜用于分离的气体为混合气体，包括二氧化碳、二氧化硫、氢气、氮气、甲烷、一氧化碳以及空气中任一组分和其他组分组成的混合物。
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