CN106362515B - 一种可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可净化空气中雾霾的微孔炭‑金属复合膜制备方法，该金属复合膜前驱体分子结构为具有规则孔道结构特征的聚酰亚胺聚合物。本发明涉及的微孔炭‑金属复合膜，生产过程绿色环保，具有耐高温、抗微生物、耐酸碱腐蚀及丰富的超细微孔结构等特性，对脱除空气中的PM2.5具有独特优势。本发明通过分子设计，合成具有高自由体积和呈现规则孔道结构特征的聚合物作为炭膜前驱体，在微观层面上对炭膜精细微孔结构和尺度进行构筑和调控，并有针对性地将具有催化降解氮氧化物的铂、铑、钯等金属负载到炭膜微孔表面，制备出具有高度净化分离PM2.5功能的综合性能优异，具有广阔应用前景的新型微孔炭‑金属复合膜，这种微孔炭‑金属复合膜。

Description

一种可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜制备方法
技术领域:
本发明涉及一种炭膜的制备方法，特别涉及一种可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜制备方法，属于新材料技术领域。
背景技术：
随着经济的发展和城市化进程的加快，我国城市雾霾天气日趋严重。有报告显示，中国最大的 500个城市中，只有不到 1%的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准，与此同时，世界上污染最严重的 10个城市有 7个在中国。雾霾作为一种大气污染状态，是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述。医学专家认为，悬浮颗粒物粒径的大小决定着雾霾对人体的危害程度。粒径在 10nm 以上的颗粒物，通常会被挡在呼吸道外面；粒径介于 2.5-10nm 的颗粒物，能够进入上呼吸道，但可通过痰液排出体外，对人体伤害较小；而粒径在 2.5 nm 以下的超细小颗粒（Particulate Matter，简称 PM2.5），体积小，重量轻，在大气中的悬浮时间长，输送距离远，是导致雾霾频发的“罪魁祸首”。PM2.5 还是大气中有害物质的载体，被吸入人体后能直接进入支气管和肺泡，引起肺部和心血管疾病，因此被称为可入肺颗粒物，对人体健康和空气质量的危害极大。
目前，对 PM2.5 的处理还没有很好的方法，已报道的处理方法有水吸附法、植物吸收法及过滤法等。水吸附法只能吸收亲水性 PM2.5，对憎水 PM2.5 不能有效去除；植物吸收法能够吸收有害气体和 PM2.5，但吸收效率非常低，有些植物甚至还会产生二次有害气体；过滤法较为简单常用，其中以细微玻璃纤维为过滤介质的高效空气净化器日趋成熟，这种净化器对所有粒径为 0.3 nm 和更大颗粒物的最低脱出率可高达 99.97%，但对直径0.3 nm 以下颗粒物或直径更小能与空气中 PM2.5 形成密切关系的气态污染物，脱除率低，另一方面，脱除的污染物并不能被降解，随着使用寿命到期，净化器被弃用，所吸收的污染物会释放到大气中，造成大气二次污染。因此开发出新型大规模的空气净化技术来有效脱除降解PM2.5已迫在眉睫。
膜法分离技术以其投资少，能耗低，设备简单，操作方便等优点，被认为是最具发展应用前景的第三代新型分离技术。采用该技术分离净化空气中的PM2.5具有重要意义。然而大气中的PM2.5除了颗粒细小外，来源和生成过程也非常复杂，包括人类活动排放或自然产生的二氧化硫、氮氧化物或经二次与水雾反应生成的硫酸、硝酸等强腐蚀性和毒性的光化学微粒，因而采用普通的膜材料是无法完成这一艰巨的分离纯化任务。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足而提供一种吸附并降解PM2.5、机械强度大，生产过程绿色环保，工艺简单，具有耐高温、抗微生物、耐酸碱腐蚀及丰富的超细微孔结构等特性，对脱除空气中的PM2.5具有独特优势的可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜制备方法。
本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜的制备方法，其特征在于其具有高自由体积和呈现规则孔道结构特征的聚酰亚胺聚合物为原料，制备聚酰亚胺高分子膜，通过改变炭化条件，制备具有不同平均孔径和孔径分布的用于满足不同分离目的的机械强度高、孔隙结构发达、分离性能好的炭膜，其包括如下具体步骤：
(1)先采用聚酰亚胺聚合物做原料，将其溶解在溶剂N，N-二甲基甲酰胺（DMF）或N，N-二甲基乙酰胺（DMAC）或二甲基亚砜（DMSO）中制备聚酰亚胺高分子溶液；
(2)再用刮膜器制成质地均匀、平直且表面光滑的原膜；
(3)在室温下对原膜进行真空干燥处理；干燥时必须保证原膜中溶剂均匀挥发掉，干燥时间为10～30小时；
(4)将干燥后的原膜放入炭化炉中，在惰性气体保护下进行炭化处理后便制备出所需的分离炭膜；
（5）制备的分离炭膜表面上一起负载铂盐、铑盐、钯盐，并采用还原剂水合肼或维生素C将负载的铂盐、铑盐、钯盐还原为铂、铑、钯纳米粒子。
为了进一步实现本发明的目的，所述的步骤（1）中的聚酰亚胺聚合物为具有冠醚结构的聚酰亚胺聚合物、含四苯基卟啉大体积取代基结构的聚酰亚胺聚合物、具有立体手性碳结构的聚酰亚胺聚合物中的一种。
为了进一步实现本发明的目的，所述的步骤（1）中的聚酰亚胺高分子溶液中的聚酰亚胺聚合物的质量含量为5%—15%。
为了进一步实现本发明的目的，所述的步骤（5）中的铂盐为氯化铂或醋酸铂；铑盐为氯化铑或醋酸铹，钯盐为氯化钯或醋酸钯。
为了进一步实现本发明的目的，所述的的步骤（5）中的铂盐、铑 盐、钯盐的负载总量为炭膜总固体质量的10%，按重量份以铂盐、铑 盐和钯盐的总质量为10份计，其中铂盐2-6份，铑 盐2-4份，钯盐2-4份，还原剂水合肼或维生素C的用量与铂盐和铑盐和钯盐总用量的质量比例为1：1。
为了进一步实现本发明的目的，所述的步骤（4）中的惰性气体为氮气或氩气，升温速率为1～5℃/min，炭化终温为500～800℃，并在此温度下恒温30～240 min。
本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：由于近年我国多地频发雾霾天气，可入肺颗粒物（简称PM2.5）被认为是导致雾霾的罪魁祸首，对社会秩序和人体健康构成严重危害，开发新型高效的空气净化技术已成为当务之急。炭膜是一种高性能炭基分离膜，具有耐高温、抗微生物、耐酸碱腐蚀及丰富的超细微孔结构等特性，对脱除空气中的PM2.5具有独特优势。本发明通过分子设计，合成多种具有高自由体积和呈现规则孔道结构特征的聚合物作为炭膜前驱体，在微观层面上对炭膜精细微孔结构和尺度进行构筑和调控，并有针对性地将具有催化降解氮氧化物的铂、铑、钯等金属负载到炭膜微孔表面，设计制备出一种具有高度净化分离PM2.5功能的新型微孔炭-金属复合膜。
本发明是一种新型分离膜，它把炭膜结构特性（丰富发达的超细微孔结构、良好的耐酸碱腐蚀、耐高温、抗微生物等）与金属材料的优势（高效催化降解）有机融合为一体，在分离领域显示出比聚合物膜和其它无机膜更为优异的特性。本发明从微孔结构形成机制出发，通过前驱体分子设计，对炭膜精细的孔道结构和尺度进行构筑和调控，设计制备出一种能够对 PM2.5高度降解净化的新型功能炭-金属复合膜，并有针对性地揭示炭-金属复合膜微孔结构和PM2.5脱除效率的内在关系，为早日减轻雾霾改善环境提供有效途径。本发明具有：
(1)本发明以具有高自由体积和呈现规则孔道结构特征的聚酰亚胺聚合物为原料，制备的炭膜具有较高的孔隙率和通量，孔隙结构均匀、机械强度较高。
(2) 炭膜的平均孔径和孔径分布易于控制。通过对聚酰亚胺前驱体的结构进行调控以及改变炭化条件可制备出用于不同分离目的的炭膜。
(3) 制备的微孔炭-金属复合膜孔隙率高，机械强度大，而且表面负载可降解PM2.5的纳米金属离子催化剂。
具体实施方式：下面对本发明的具体实施方式做详细说明：
实施例1
(1)先将具有冠醚结构的聚酰亚胺聚合物（其分子式如式1）15g溶于135g N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中制备聚酰亚胺高分子溶液；
（1）
R为H，CH3，或CH2CH3；
(2) 再用刮膜器制成质地均匀、平直且表面光滑的原膜；
(3)在室温25℃下对原膜进行真空干燥处理；干燥时必须保证原膜中溶剂均匀挥发掉，否则原膜变形后对其性能将产生严重影响，干燥时间为15小时；
(4)将干燥后的原膜放入炭化炉中，在氮气保护下，以1℃/min的升温速率升至500℃并恒温240 min，待其冷却到100℃以下便可取出，得到所需的分离炭膜；经过测试，炭膜的平均孔径为300 nm，孔隙率为70 %。
(5) 将0.2g氯化铂、0.4g氯化铑和0.4g氯化钯加入10g水中，配成水溶液；将制备好的分离炭膜10g放置在该水溶液里浸泡36小时；将分离炭膜取出，放置在5%的水合肼20g溶液（含水合肼1g）中20分钟，取出，洗涤，得到微孔炭-金属复合膜，经过测试，对空气中PM2.5的净化效率可达90 %。
实施例2:
(1)先将具有含四苯基卟啉大体积取代基结构的聚酰亚胺聚合物（其分子式如式2）15g溶于285g 二甲基亚砜（DMSO）中，制备高分子溶液；
（2）
R为H，CH3，或CH2CH3；
(2) 再用刮膜器制成质地均匀、平直且表面光滑的原膜；
(3)在室温25℃下对原膜进行真空干燥处理；干燥时必须保证原膜中溶剂均匀挥发掉，否则原膜变形后对其性能将产生严重影响，干燥时间为30小时；
(4)将干燥后的原膜放入炭化炉中，在氩气保护下，以2℃/min的升温速率升至700℃并恒温60 min，待其冷却到100℃以下便可取出，得到所需的分离炭膜。经过测试，经过测试，炭膜的平均孔径为360 nm，孔隙率为73 %。
(5) 将0.4g醋酸铂、0.3g醋酸铑和0.3g醋酸钯加入10g水中，配成水溶液。将制备好的炭膜10g放置在溶液里浸泡48小时；将炭膜取出，放置在2%的50克VC水溶液（含VC 1g）中50分钟，取出，洗涤，得到微孔炭-金属复合膜，经过测试，对空气中PM2.5的净化效率可达88 %。
实施例3
(1)先将具有立体手性碳结构的聚酰亚胺聚合物（分子式如式3）15g溶于85g N，N-二甲基乙酰胺（ DMAC）中，制备高分子溶液；再用刮膜器制成质地均匀、平直且表面光滑的原膜；
（3）
R为H，CH3，或CH2CH3）；
(2) 再用刮膜器制成质地均匀、平直且表面光滑的原膜；
(3)在室温25℃下对原膜进行真空干燥处理；干燥时必须保证原膜中溶剂均匀挥发掉，否则原膜变形后对其性能将产生严重影响，干燥时间为10小时；
(4)将干燥后的原膜放入炭化炉中，在氩气保护下，以5℃/min的升温速率升至800℃并恒温30 min，待其冷却到100℃以下便可取出，得到所需的分离炭膜。经过测试，炭膜的平均孔径为320 nm，孔隙率为75 %。
(5) 将0.6g氯化铂、0.2g氯化铑和0.2g氯化钯加入10g水中，配成水溶液。将制备好的炭膜10g放置在溶液里浸泡60小时；将炭膜取出，放置在2%的50g水合肼溶液（含水合肼1g）中30分钟，取出，洗涤，得到微孔炭-金属复合膜，经过测试，对空气中PM2.5的净化效率可达95 %。
以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜制备方法，其特征在于其具有高自由体积和呈现规则孔道结构特征的聚酰亚胺聚合物为原料，制备聚酰亚胺高分子膜，通过改变炭化条件，制备具有不同平均孔径和孔径分布的用于满足不同分离目的的机械强度高、孔隙结构发达、分离性能好的炭膜，其包括如下具体步骤：
(1)先采用聚酰亚胺聚合物做原料，将其溶解在溶剂N，N-二甲基甲酰胺（DMF）或N，N-二甲基乙酰胺（DMAC）或二甲基亚砜（DMSO）中制备聚酰亚胺高分子溶液；
(2)再用刮膜器制成质地均匀、平直且表面光滑的原膜；
(3)在室温下对原膜进行真空干燥处理；干燥时必须保证原膜中溶剂均匀挥发掉，干燥时间为10～30小时；
(4)将干燥后的原膜放入炭化炉中，在惰性气体保护下进行炭化处理后便制备出所需的分离炭膜；
（5）制备的分离炭膜表面上一起负载铂盐、铑盐、钯盐，并采用还原剂水合肼或维生素C将负载的铂盐、铑盐、钯盐还原为铂、铑、钯纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的一种可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜制备方法，其特征在于所述的步骤（1）中的聚酰亚胺聚合物为具有冠醚结构的聚酰亚胺聚合物、含四苯基卟啉大体积取代基结构的聚酰亚胺聚合物、具有立体手性碳结构的聚酰亚胺聚合物中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜制备方法，其特征在于所述的步骤（1）中的聚酰亚胺高分子溶液中的聚酰亚胺聚合物的质量含量为5%—15%。
4.根据权利要求1所述的一种可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜制备方法，其特征在于所述的步骤（5）中的铂盐为氯化铂或醋酸铂；铑盐为氯化铑或醋酸铑 ，钯盐为氯化钯或醋酸钯。
5.根据权利要求1所述的一种可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜制备方法，其特征在于所述的步骤（5）中的铂盐、铑 盐、钯盐的负载总量为炭膜总固体质量的10%，按重量份以铂盐、铑 盐和钯盐的总质量为10份计，其中铂盐2-6份，铑 盐2-4份，钯盐2-4份，还原剂水合肼或维生素C的用量与铂盐和铑盐和钯盐总用量的质量比例为1：1。
6.根据权利要求1所述的一种可净化空气中雾霾的微孔炭-金属复合膜制备方法，其特征在于所述的步骤（4）中的惰性气体为氮气或氩气，升温速率为1～5℃/min，炭化终温为500～800℃，并在此温度下恒温30～240 min。
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