CN107051219B - 离子液体/氧化石墨烯气体分离膜的制备及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子液体/氧化石墨烯气体分离膜的制备方法及其应用。将氧化石墨烯均匀分散在离子液体当中，通过真空抽滤制得气体分离膜，使得离子液体被限制在氧化石墨烯片层当中，利用离子液体对不同气体的溶解度和扩散系数的不同，实现气体的高效稳定分离。
Description
技术领域
本发明涉及气体分离复合薄膜的制备及应用领域，具体涉及一种离子液体/氧化石墨烯气体分离膜的制备及其应用。
背景技术
氧化石墨烯具有优越的机械性能、良好的化学稳定性、独特的二维结构和成熟的制备工艺，多层氧化石墨烯薄膜具有纳米级的通道，在气体分离领域有巨大的应用潜力。但是纯的氧化石墨烯薄膜的分离效率不高，往往需要其他材料来改性，制备复合薄膜。
离子液体作为一种新型绿色溶剂，以其蒸气压小、热稳定性好、电化学窗口大等优势应用于多个领域。在常见气体中，离子液体对二氧化碳相比于对其他气体有较高的溶解度，使得离子液体具有分离和富集二氧化碳的应用潜力，但由于其液态的特性，流动性较强，使得在气体的分离和富集过程中稳定性较差。本发明将离子液体限制在氧化石墨烯片层中，则很好的解决了稳定性的问题。
发明内容
本发明是为了克服纯氧化石墨烯薄膜分离效率低，而纯离子液体用于分离时持续性差的缺陷，提供了一种离子液体/氧化石墨烯气体分离膜的制备方法及其应用。
离子液体/氧化石墨烯气体分离膜的制备方法，包括如下步骤：将化学氧化制得的氧化石墨烯均匀分散在离子液体当中，得到氧化石墨烯/离子液体溶液；再通过真空抽滤的方法将氧化石墨烯/离子液体溶液抽滤到基底上，制得离子液体/氧化石墨烯气体分离膜。
本发明的技术原理如下：
真空抽滤制得的纯氧化石墨烯薄膜具有层间距在1纳米以下的层状结构；将氧化石墨烯分散在离子液体中，使得氧化石墨烯片层和离子液体充分粘结，通过真空抽滤的方式制成薄膜，离子液体就被限制在氧化石墨烯的片层当中；被氧化石墨烯片层限制的离子液体性质会发生变化，增强气体分离的能力，并且在分离气体的过程中稳定性增强，可以长时间应用。调节离子液体和氧化石墨烯的用量可以调节膜厚和离子液体所占的比例。
作为优选，所用的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，其中氧化石墨烯/离子液体溶液中氧化石墨烯的质量百分比浓度为0.001％～0.02％；真空抽滤过程中负压不低于50KPa；所述的基底为聚碳酸酯多孔膜或者无机氧化铝多孔膜。
作为优选，所用的离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，其中氧化石墨烯/离子液体溶液中氧化石墨烯的质量百分比浓度为0.001％～0.02％；真空抽滤过程中负压不低于50KPa；所述的基底为聚碳酸酯多孔膜或者无机氧化铝多孔膜。
进一步的，上述方式中所述的离子液体/氧化石墨烯气体分离膜中离子液体的质量百分比为50％～80％。
上述任一技术方案制得的离子液体/氧化石墨烯气体分离膜，可以用于分离二氧化碳和氢气、二氧化碳和甲烷。分离过程中，适用的压强为0.01MPa～0.15MPa，温度为20～120℃。无论是从单一气体的通量差异上还是混合气体的直接分离上都表现出优异的效果。
本发明具有如下有益效果：以氧化石墨烯作为支撑，将离子液体限制在氧化石墨烯片层中，大大增强了稳定性，而且限域条件下的离子液体对气体分离的能力也得到了加强，使得复合薄膜具有显著的气体分离能力。
附图说明
图1是氧化石墨烯薄膜的表面和断面扫描电镜图片；表面有明显细长尖锐的褶皱，断面有明显的层状结构；
图2是实施例1制得的[BMIM][BF4]/氧化石墨烯气体分离膜的表面和断面扫描电镜图片；
图3是实施例2制得的[BMIM][BF4]/氧化石墨烯气体分离膜的表面和断面扫描电镜图片；
图4是实施例3制得的[EMIM][BF4]/氧化石墨烯气体分离膜的表面和断面扫描电镜图片。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，进一步说明本发明。
实施例1
室温下，配置氧化石墨烯质量百分比浓度为0.016％的氧化石墨烯/[BMIM][BF4]溶液，在85KPa负压下抽滤1ml溶液至直径25mm，孔径200nm的无机氧化铝多孔膜上制得750nm厚的[BMIM][BF4]/氧化石墨烯气体分离膜，其中[BMIM][BF4]的质量百分比为56％。从薄膜表面的电镜图上可以看到，加了[BMIM][BF4]之后相比于纯氧化石墨烯薄膜，褶皱有所平缓和减少；从断面的电镜图上可以看到，[BMIM][BF4]填充在氧化石墨烯薄膜的片层中，膜厚有明显的增加，层间距被撑大，且在电镜下看不到明显的层状结构。将该分离膜在室温，0.06MPa条件下测量二氧化碳、氢气和甲烷的通量，得到二氧化碳和氢气、二氧化碳和甲烷的通量比值分别为8和30。
实施例2
室温下，配置氧化石墨烯质量百分比浓度为0.004％的氧化石墨烯/[BMIM][BF4]溶液，在85KPa负压下抽滤4ml溶液至直径25mm，孔径200nm的无机氧化铝多孔膜上制得1μm厚的[BMIM][BF4]/氧化石墨烯气体分离膜，其中[BMIM][BF4]的质量百分比为66％。从薄膜表面的电镜图上可以看到，[BMIM][BF4]量的增加，使得表面的褶皱进一步减少，并且出现了球状的突起；从断面的电镜图上可以看到，薄膜厚度进一步增大。将该分离膜在室温，0.06MPa条件下测量二氧化碳、氢气和甲烷的通量，得到二氧化碳/氢气和二氧化碳/甲烷比值分别为32和382。在相同条件下用气相色谱仪测量二氧化碳/氢气混合气和二氧化碳/甲烷混合气的分离性能，得到分离比分别为10和39。
实施例3
室温下，配置氧化石墨烯质量百分比浓度为0.007％的氧化石墨烯/[EMIM][BF4]溶液，在85KPa负压下抽滤2ml溶液至直径25mm，孔径200nm的无机氧化铝多孔膜上制得800nm厚的[EMIM][BF4]/氧化石墨烯气体分离膜，其中[EMIM][BF4]的质量百分比58％。从薄膜表面的电镜图上可以看到，加了[EMIM][BF4]之后相比于纯氧化石墨烯薄膜，褶皱有所平缓和减少；从断面的电镜图上可以看到，[EMIM][BF4]填充在氧化石墨烯薄膜的片层中，膜厚有明显的增加，且在电镜下看不到明显的层状结构。将该分离膜在室温，0.06MPa条件下测量二氧化碳、氢气和甲烷的通量，得到二氧化碳/氢气和二氧化碳/甲烷比值分别为9和33。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1. 一种离子液体/氧化石墨烯气体分离膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将化学氧化制得的氧化石墨烯均匀分散在离子液体当中，得到氧化石墨烯质量百分比浓度为0.004%的氧化石墨烯/离子液体溶液；在85 KPa负压下抽滤4 ml氧化石墨烯/离子液体溶液至直径25 mm，孔径200 nm的无机氧化铝多孔膜上制得1 μm厚的离子液体/氧化石墨烯气体分离膜，其中离子液体的质量百分比为66%；所用的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。
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