CN111298664B - 一种中空纤维气体分离复合膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明首先提供一种中空纤维气体分离复合膜及其制备方法,所述复合膜包括中空纤维膜构成的底膜以及覆盖在所述底膜上方的致密层,所述底膜中含有改性碳纳米管,并且,与所述致密层接触的表面经等离子体或湿法刻蚀露出取向排布的碳纳米管,该取向排布的碳纳米管一端埋藏在所述底膜中,另一端伸入到所述致密层中。所述复合膜中的取向碳纳米管一部分埋藏在底膜中,一部分伸入到致密层中,不仅起到了提高两层之间结合力的作用,而且可以实现碳纳米管在膜材料中的取向性排布,有利于显著提高中空纤维膜的复合膜的分离性能。
Description
技术领域
本发明涉及纳米复合材料制备和分离膜技术领域,具体涉及一种制备含有取向性碳纳米管的及其制备方法。
背景技术
膜分离是以筛分为原理,以压力为驱动的分离过程。凭借紧凑的结构和高效的分离性能,膜分离技术在气体分离中得到了广泛应用。中空纤维膜因形似纤维,具有比表面积大、分离效率高、结构简单、容易清洗等特点,可作为底膜,用于制备更为致密的气体分离复合膜。中空纤维气体分离复合膜在使用过程中存在通透性较低、选择性不高、机械稳定差、易发生断丝等问题。
碳纳米管具有天然的一维中空通道,可充当分子通道,用于高效传递和分离气体分子。 Hinds等[Hinds BJ,Chopra N,Rantell T,et al:Aligned multiwalled carbonnanotube membranes.Science,2004,303(5654):62-65.]和Holt等[Holt JK,Park HG,Wang Y,et al:Fast mass transport through sub-2-nanometer carbon nanotubes[J].Science,2006, 312(5776):1034-1037.]率先成功制备出具有分离功能的碳纳米管膜。他们分别利用聚合物或氮化硅填充碳纳米管阵列之间的缝隙,并通过酸处理去除碳纳米管末端催化剂从而保证管道畅通。实验研究表明:气体分子可以不同速率快速通过碳纳米管,且透过速率远大于 Knudsen模型的理论值。
碳纳米管可用于增强有机高分子膜的气体分离特征。例如,公开号为CN107413209A 的专利文献公开了一种基于二硫化钼/碳纳米管-聚醚嵌段酰胺的气体分离复合膜及其制备方法;公开号为CN110585863A的专利文献公开了一种基于多壁碳纳米管穿插ZIF-8- 聚醚嵌段酰胺的气体分离膜及其制备方法。相比于聚醚嵌段酰胺分离膜,上述复合膜具有较高的气体渗透系数与分离系数,在气体分离领域具有重要的应用前景。
碳纳米管还可用于改善中空纤维膜的机械稳定性。公开号为CN105688683A的专利文献公开了一种在的制膜过程中将碳纳米管混入铸膜液而获得高机械强度的碳纳米管复合中空纤维膜。公开号为CN105056775A的专利文献以碳纳米管作为小分子添加剂,不但能抑制大孔形成,还能因自身的性质,极大的增强增韧聚醚砜膜,但对膜的渗透性影响甚微。所得中空纤维具有良好的强度、弹性、抗疲劳性,且膜的渗透性能较好。
碳纳米管也可独立用于制备中空纤维膜。公开号为CN103316594A的专利文献通过金属模板引导的燃烧固化的方式,得到独立自支撑的碳纳米管中空纤维膜。公开号为CN104028112A的专利文献通过纺丝和煅烧的方式制备了大孔隙率的中空纤维膜。
无论是将碳纳米管添加入有机高分子膜,还是利用碳纳米管直接制备中空纤维膜,碳纳米管均处于随机无序的状态,难以充分发挥碳纳米管分子通道的传输功能。因此,实现碳纳米管在中空纤维膜中的取向性排布,对于进一步改善其分离性能具有重要的推进作用。
发明内容
本发明公开了一种制备含有取向性碳纳米管中空纤维气体分离复合膜的方法和产品,该制备方法适用范围广、制备简单、易于量产;所得复合膜内碳纳米管的密度和分布可控,并且所述取向碳纳米管一部分埋藏在底膜中,一部分伸入到致密层中,不仅起到了提高两层之间结合力的作用,而且可以实现碳纳米管在膜材料中的取向性排布,有利于显著提高中空纤维膜的复合膜的分离性能。
本发明首先提供一种中空纤维气体分离复合膜,所述复合膜包括中空纤维膜构成的底膜以及覆盖在所述底膜上方的致密层,所述底膜中含有改性碳纳米管,并且,与所述致密层接触的表面经等离子体或湿法刻蚀露出取向排布的碳纳米管,该取向排布的碳纳米管一端埋藏在所述底膜中,另一端伸入到所述致密层中。
优选的,所述中空纤维膜由碳纳米管、聚醚砜、发泡剂与溶剂经纺丝制备得到。膜厚约为20~60μm。
优选的,所述致密层由聚合物涂覆和交联形成,膜厚约3~10μm。
优选的,所述碳纳米管的长度约500nm~1μm,进一步优选,所述碳纳米管伸入到所述致密层中的长度约为300nm~800nm。
本发明另外提供所述中空纤维气体分离复合膜的制备方法,包括如下步骤:(1)配置含有所述改性碳纳米管、膜基质、发泡剂和溶剂的铸膜液;(2)由所述铸膜液湿法纺丝制得中空纤维膜;(3)通过等离子体刻蚀或者湿法刻蚀,对所述中空纤维膜的一个表面进行刻蚀,使得该表面留下取向的纳米管,从而得到具有取向碳纳米管的中空纤维膜表面;(4) 在所述具有取向碳纳米管的中空纤维膜表面,通过聚合物的涂覆和交联形成致密层,获得含取向性碳纳米管的中空纤维气体分离复合膜。
作为优选,步骤(1)中所采用的碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一者或两者的混合物。
作为优选,步骤(1)中所改性碳纳米管的制备方法有羟基化、羧基化、氨基化、磺酸基化等,优选羧基化或磺酸基化。
作为优选,所述膜基质可以为聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚砜或聚醚砜中的一种(分子量范围40000至100000)。最优选聚醚砜。
优选,所述铸膜液中改性碳纳米管的质量浓度为0.01~10%;更优选0.05~1%,并且碳纳米管质量占膜基质质量的0.25-5%。
作为优选,步骤(1)中所采用的溶剂选自N-N二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、四甲基亚砜等中的一种或多种。所述发泡剂优选聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇。
作为优选,步骤(2)中所述湿法纺丝包括:将铸膜液倒入纺丝机机釜内,密封纺丝机釜,加热纺丝机釜并保持恒温,抽真空脱泡处理后,打开釜出口开关,向釜内通入氮气加压,打开计量泵开关,调整合适的转速,开始纺丝;将从喷丝板中挤出的中空纤维通过凝固浴后卷绕到卷绕辊上,控制卷绕辊转速。纺丝结束后,取下纤维,在蒸馏水中浸泡一周,取出晾干,即得中空纤维膜。
作为优选,步骤(2)中所采用的中空纤维膜制备工艺参数应根据铸膜液的粘度进行调整。作为优选,步骤(2)中所采用制膜工艺参数为:料液温度为25℃~50℃,脱泡处理20~ 60分钟,计量泵转速为8~20转/分钟,凝固浴温度为20℃~30℃,控制卷转速为10~ 25转/分钟。
优选,步骤(3)包括将中空纤维膜的两端固定在支架上,通过刻蚀消耗其表面的有机聚合物,与膜法线(所述中空纤维膜的垂线称为膜法线)夹角较大(例如大于65°)的那部分碳纳米管掉落,而与膜法线夹角较小(例如小于65°,优选小于等于45°)的那部分碳纳米管一段埋在膜基质中,一段暴露在膜基质外部,从而呈现出一定的取向性。
作为优选,步骤(3)中所采用的刻蚀为湿法刻蚀或等离子体刻蚀。
作为优选,湿法刻蚀所采用的刻蚀溶剂选自N-N二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、四甲基亚砜等的水溶液。
作为优选,等离子体刻蚀所采用的气体是氧等离子体、氮等离子体、氨等离子体、氩等离子体、氢等离子体、氯等离子体等。
作为优选,步骤(3)中所采用的刻蚀为湿法刻蚀或等离子体刻蚀,优选湿法刻蚀,更优选,刻蚀过程中刻蚀液的冲洗速度为5mL/min~50mL/min,优选10mL/min~30mL/min,冲洗时间为3-10min,所得含有取向性碳纳米管的膜材料平均每平方微米含有1-10个,优选2-5个取向的碳纳米管。还优选的,所述的膜基质为聚醚砜,所述的碳纳米管为羧基化的碳纳米管,或者为羟基处理的碳纳米管,对应的刻蚀溶剂为四氢呋喃、二甲亚砜、N- 甲基-2-吡咯烷酮、二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺与水的混合溶剂,更优选的,对应的刻蚀溶剂为四氢呋喃、N-甲基-2-吡咯烷酮和二甲基亚砜中的一种或两种(溶剂I)、二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺中的一种或两种(溶剂II)、以及水,组成的混合溶剂。其中溶剂 I:溶剂II:水的体积比为10~20:10~20:60-80。
优选,步骤(4)中,在已暴露碳纳米管末端的中空纤维膜表面,通过浸涂方式在膜表面形成致密层,获得最终的含取向性碳纳米管中空纤维复合膜。
作为优选,步骤(4)中所采用浸涂液为含有胺基和羟基等活性基团的有机物。优选地,所述浸涂液含有选自一乙醇胺、二乙醇胺、2-甲基-2氨基-1-丙醇、N-甲基二乙醇胺、聚烯亚胺的传递载体,以及作为致密层基膜的成膜物质,例如聚乙烯醇。优选的,所述浸涂液含有聚乙烯醇和聚乙烯亚胺。
上述含取向性碳纳米管的中空纤维复合膜可用于气体捕获、富集和分离等领域。
含取向性碳纳米管中空纤维复合膜的气体分离特性表征方法如下:选用二氧化碳、氮气和氧气的两种作为混合气体,其气体渗透实验通过传统的容积测定法完成。气体流入速率和操作压力由压力阀调节。在一定温度和湿度条件下,进料气体在预定压力0.1MPa下被送往分离膜,渗透侧压力为大气压。每隔一段时间,采集浓缩侧气体和透过侧气体,并通过气相色谱仪测定气流组成。复合膜的气体分离特性主要由渗透通量J和分离系数αi/j来表征,分式如下:
其中,ΔG、Δp、Δt、A分别为出水质量、跨膜压差、时间间隔、膜有效面积;Xw,i和Yw,j分别组分i和组分j的质量分数。
发明原理
本发明通过精细设计在中空纤维膜的制备过程中加入碳纳米管,利用刻蚀作用获得含有取向性碳纳米管的中空纤维膜,以此作为底膜,再通过浸涂的方式在底膜表面形成含取向性碳纳米管的致密层,从而制备出含有取向性碳纳米管的中空纤维复合膜。
与现有技术相比,本发明具有如下技术效果:
(1)本发明专利所得含有取向性碳纳米管的中空纤维复合膜,可用于气体分离,具有优良的分离特性;
(2)本发明所述方法同时完成了碳纳米管的取向和含有取向碳纳米管致密层和底膜的复合,工艺方法简单可控,所制备得到的薄膜材料中取向性碳纳米管密度高,所述方法碳纳米管的产率高,且底膜和致密屏障层中通过取向碳纳米管实现了很好的结合,有利于充分发挥碳纳米管分子通道的传递功能,显著提升复合膜的分离特性;
(3)进一步优选的,本发明发现了,特定刻蚀溶剂组合有利于提高对应膜材料中取向碳纳米管的密度。更优选的,冲洗速率和时间的控制也能够进一步提高取向碳纳米管的密度。
附图说明
图1是含取向性碳纳米管的中空纤维气体分离复合膜的制备流程图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述,但并不限制本发明。
实施例1:
本实施例提供了一种制备含有1%(wt)取向性碳纳米管中空纤维膜的方法,操作过程如图1所示,具体步骤如下:
(1)将0.1g羧酸化多壁碳纳米管在超声处理下分散于80g N-N二甲基乙酰胺中,超声 2h后分散均匀,在搅拌状态下向该溶液中加入18.9g聚醚砜(质量平均分子量50000)和1g聚乙二醇(质量平均分子量2000),搅拌5h后,形成均匀铸膜液;
(2)将铸膜液倒入纺丝机机釜内,密封纺丝机釜,加热纺丝机釜,使纺丝料液温度在 20℃,抽真空脱泡处理30分钟。纺丝料液脱泡处理完毕后,打开釜出口开关,向釜内通入氮气加压,打开计量泵开关,调整转速10转/分钟,开始纺丝;将从喷丝板中挤出的中空纤维通过25℃的凝固浴后卷绕到卷绕辊上,控制卷绕辊转速为10转/分钟。纺丝结束后,卷绕装置停机,取下纤维,将纺制出的中空纤维膜在蒸馏水中浸泡一周,取出晾干,即得中空纤维膜,平均孔径150nm。
(3)将中空纤维膜的两端固定在支架上,保持悬空状态;选用30%的N-N二甲基乙酰胺的水溶液作为刻蚀液,以10mL/min的速度对样品进行冲洗刻蚀,处理约5分钟,得含有取向性碳纳米管的中空纤维膜,膜厚为49.5微米,取向性碳纳米管的密度平均为每平方微米2.5个。处理后的表面形貌如图1所示。
(4)浸涂。将刻蚀处理后的中空纤维膜浸泡于浸涂液中,所述浸涂液为含有6%聚乙烯亚胺(MW=25000)和4%聚乙烯醇(MW=63800-114400)的水溶液,并保持30min,然后取出,在100℃的环境干燥1小时在中空纤维膜表面形成致密层,厚度约5微米。测定上述含取向性碳纳米管复合膜的气体分离特性,结果如表1所示。
实施例2-4:
仅改变改性碳纳米管的含量为0.05%、0.2%和0.5%,聚醚砜的用量相应变为18.95g、 18.8g、18.5g,其他操作同实施例1,所得取向性碳纳米管的密度分别平均为每平方微米 1.1个、2.7个、4.8个,测定所得中空纤维复合膜的气体分离特性,结果如表1所示。
实施例5
实施方式与实施例1相同,仅改变碳纳米管的种类,选用单壁碳纳米管,,所得取向性碳纳米管的密度分别平均为每平方微米2.7个,测定所得中空纤维复合膜的气体分离特性,结果如表1所示。
对比例1-2
实施方式与实施例1相同,区别在于对比例1中不含有碳纳米管且不包括步骤(3),对比例2中仅仅是不包括步骤(3),另外,对比例1和2中的步骤(4)改为步骤(3),直接在步骤(2)得到的中空纤维膜上进行界面聚合。测试气体分离特性,结果如表1所示。
表1不同类型中空纤维复合膜的气体分离特性对比
分析对比例1与对比例2可知,将碳纳米管添加入聚醚砜底膜中对复合膜的气体分离特性影响不大。与实施例1对比分析可知,当取向性碳纳米管伸入聚乙烯亚胺/聚乙烯醇致密层后,复合膜的气体分离特性发生明显改变,渗透通量提高8.23倍;同时,复合膜的分离系数略有降低,仍维持较高水平。因此,通过在致密层中添加取向性碳纳米管,显著改善了中空纤维复合膜的气体分离特性。
对比实施例1与实施例2可知,随着碳纳米管含量的降低,渗透通量减小,分离系数增大。对比实施例1与实施例3-4可知,随着碳纳米管含量的增加,渗透通量持续提高,但分离系数有所降低。
对比实施例1与实施例5可知,将多壁碳纳米管改为单壁碳纳米管,可更显著地增加复合膜的渗透通量,同时保持较高的分离系数。
实施例6~8
实施方式与实施例1相同,仅改变碳纳米管改性方式,采用羟基化、磺酸基化、氨基化等处理,所得取向性碳纳米管的密度分别平均为每平方微米2.5个、2.8个、2.6个,测定所得中空纤维复合膜的气体分离特性,结果如表2所示。
表2不同类型中空纤维复合膜的气体分离特性对比
通过表2可知,改变碳纳米管改性方式,所得中空纤维复合膜的气体分离特性仍然保持较好。实施例6与实施例1相比,CO2的渗透通量降低,原因可能是氨基与CO2气体发生了一定程度的结合。实施例7与实施例1相比,N2、CO2、O2的渗透通量都降低,可见,羟基纳米管对气体分离渗透性的改进不大。实施例8与实施例1相比,预料不到地发现,渗透通量显著提高,且CO2与N2的分离系数也显著增大。
实施例9~13
实施方式与实施例1相同,仅改变步骤(3)中的刻蚀溶剂种类,实施例9对应的溶剂是N-N二甲基甲酰胺:N-甲基-2-吡咯烷酮:水的质量比为15:15:70的混合溶剂,实施例11对应的溶剂为N-N二甲基乙酰胺:二甲基亚砜:水的质量比为10:20:70的混合溶剂,实施例10和12对应的溶剂分别为N-甲基-2-吡咯烷酮、四甲基亚砜,所得取向性碳纳米管的密度分别平均为每平方微米3.2个、3.1个、2.9个、3.0个,;实施例13与实施例9的区别还在于用磺酸基化的碳纳米管代替羧酸化的碳纳米管。测定所得中空纤维复合膜的气体分离特性,结果如表3所示。
表3不同类型中空纤维复合膜的气体分离特性对比
通过表3可知,步骤(3)中采用复合溶剂,所得中空纤维复合膜的气体分离特性有比较显著的提高。
实施例14~18
实施方式与实施例1相同,仅将步骤(3)中冲洗速度改变为20mL/min,30mL/min,5mL/min,40mL/min和5 0mL/min,所得取向性碳纳米管的密度分别平均为每平方微米 2.6个、2.8个、1.8个、2.3个、2.2个,测定所得中空纤维复合膜的气体分离特性,结果如表4所示。
表4不同类型中空纤维复合膜的气体分离特性对比
通过表4可知,步骤(3)中的刻蚀冲洗速度过高或者过低,都会对水渗透系数和截盐性能的综合能力有一定的影响,总体来说,冲洗速度在10-30mL/min较好。
实施例19~23
实施例19-23的实施方式与实施例1相同,仅将步骤(3)的湿法刻蚀改为不同气体的等离子体刻蚀,所得取向性碳纳米管的密度分别平均为每平方微米2.1个、2.5个、1.8个、2.2个、2.0个,测定所得中空纤维复合膜的气体分离特性,结果如表5所示。
表5不同类型中空纤维复合膜的气体分离特性对比
通过表5可知,改变步骤(3)中的刻蚀方式,所得中空纤维复合膜的气体分离特性仍然保持较好。
实施例24~26
实施方式与实施例1相同,仅将步骤(4)的6%聚乙烯亚胺和4%聚乙烯醇的水溶液改为二乙醇胺与聚乙烯醇的水溶液,测定所得中空纤维复合膜的气体分离特性,结果如表6所示。
对比例3-4
实施方式与实施例24相同,区别在于对比例3中不含有碳纳米管且不包括步骤(3),对比例4中仅仅是不包括步骤(3),另外,对比例1和2中的步骤(4)改为步骤(3),直接在步骤(2)得到的中空纤维膜上进行界面聚合。测试气体分离特性,结果如表6所示。
表6不同类型中空纤维复合膜的气体分离特性对比
通过表6可知,对于醇胺类小分子与聚乙烯醇界面聚合形成的致密层,引入取向性纳米管,同样能够提高气体的渗透通量,同时,分离系数降低很少。
Claims (14)
1.一种中空纤维气体分离复合膜,所述复合膜包括中空纤维膜构成的底膜以及覆盖在所述底膜上方的致密层,所述底膜中含有改性碳纳米管,并且,与所述致密层接触的表面经等离子体或湿法刻蚀露出取向排布的碳纳米管,该取向排布的碳纳米管一端埋藏在所述底膜中,另一端伸入到所述致密层中。
2.权利要求1所述的中空纤维气体分离复合膜,所述中空纤维膜由碳纳米管、聚醚砜、发泡剂与溶剂经纺丝制备得到,膜厚为20~60μm;所述致密层由聚合物涂覆和交联形成,膜厚为3~10μm。
3.权利要求1或2所述的中空纤维气体分离复合膜,所述碳纳米管的长度为500nm~1μm,所述碳纳米管伸入到所述致密层中的长度为300nm~800 nm。
4.权利要求1或2所述的中空纤维气体分离复合膜,所述致密层的制备原料含有选自一乙醇胺、2-甲基-2 氨基-1-丙醇、二乙醇胺、N-甲基二乙醇胺、氨基异丁酸钾、聚烯丙胺的传递载体以及作为致密层基膜的成膜物质。
5.一种中空纤维气体分离复合膜的制备方法,包括如下步骤:(1)配置含有改性碳纳米管、膜基质、发泡剂和溶剂的铸膜液;(2)由所述铸膜液湿法纺丝制得中空纤维膜;(3)通过等离子体刻蚀或者湿法刻蚀,对所述中空纤维膜的一个表面进行刻蚀,使得该表面留下取向的纳米管,从而得到具有取向碳纳米管的中空纤维膜表面;(4)在所述具有取向碳纳米管的中空纤维膜表面,通过聚合物的涂覆和交联形成致密层,获得含取向性碳纳米管的中空纤维气体分离复合膜。
6.权利要求5所述的制备方法,步骤(2)中所采用的碳纳米管的改性处理方法选自羟基化、羧基化、氨基化或磺酸基化。
7.权利要求5所述的制备方法,所述铸膜液中改性碳纳米管的质量浓度为0.01~10%,并且碳纳米管质量占膜基质质量的0.25-5%。
8.权利要求5所述的制备方法,步骤(2)中所采用的溶剂选自N-N二甲基甲酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、二甲基亚砜、四甲基亚砜中的一种或多种,所述发泡剂选自聚乙烯吡咯烷酮和聚乙二醇。
9.权利要求5所述的制备方法,步骤(2)中所述湿法纺丝包括:将铸膜液倒入纺丝机机釜内,密封纺丝机釜,加热纺丝机釜并保持恒温,抽真空脱泡处理后,打开釜出口开关,向釜内通入氮气加压,打开计量泵开关,调整合适的转速,开始纺丝;将从喷丝板中挤出的中空纤维通过凝固浴后卷绕到卷绕辊上,控制卷绕辊转速;纺丝结束后,取下纤维,在蒸馏水中浸泡一周,取出晾干,即得中空纤维膜。
10.权利要求5-9任一项所述的制备方法,步骤(2)中所采用制膜工艺参数为:料液温度为25℃~50℃,脱泡处理20~60分钟,计量泵转速为8~20转/分钟,凝固浴温度为20℃~30℃,控制卷转速为10~25转/分钟。
11.权利要求5-9任一项所述的制备方法,步骤(3)中所采用的刻蚀为湿法刻蚀。
12.权利要求11所述的制备方法,步骤(3)中所采用的刻蚀,刻蚀过程中刻蚀液的冲洗速度为10mL/min~30 mL/min,冲洗时间为3-10min,所得含有取向性碳纳米管的膜材料平均每平方微米含有2-5个取向的碳纳米管。
13.权利要求5-9任一项所述的制备方法,所述的膜基质为聚醚砜,对应的刻蚀溶剂为溶剂I、溶剂II以及水组成的混合溶剂,其中溶剂I:溶剂II:水的体积比为10~20:10~20:60-80,所述溶剂I为四氢呋喃、N-甲基-2-吡咯烷酮和二甲基亚砜中的一种或两种,所述溶剂II为二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺中的一种或两种。
14.权利要求1-4任一项所述中空纤维气体分离复合膜或权利要求5-13任一项所述制备方法得到的中空纤维气体分离复合膜用于气体捕获、富集和分离领域的用途。
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