[發明專利]一種用于調控炭膜氣體分離性能的磁場干預成膜方法

有效

• 申請號: 201210496233.6
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN103846017B
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 張兵;吳永紅;石毅;趙丹丹;黨曉龍
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: B01D71/02
• 分類號: B01D71/02;B01D67/00;B01D53/22
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務所(普通合伙)21115
• 代理人: 宋鐵軍,周楠

技術領域

本發明涉及一種用于調控炭膜氣體分離性能的磁場干預成膜方法，屬于化學工程學科中的傳質與分離領域。

背景技術

炭膜是一種高效、節能、操作方便、耐熱、耐腐蝕、使用壽命長及分離性能高的多孔無機分離膜。因其在很多領域存在巨大的潛在應用前景，所以吸引了越來越多研究者的青睞（Bauer JM, et al. Key Engineering Materials, 1991:207-212.； Shah TN, et al. Journal of Membrane Science, 295(2007): 40-49.; 張兵, 等. 中國發明專利, ZL201010118376）。炭膜通常是在惰性或真空環境下，經炭化含碳物質制備而成。研究表明炭膜的分離性能與制備過程中的很多因素都有關：包括前軀體材料（Saufi SM, Ismail AF. Carbon, 42(2004): 241–259.），炭化條件及制膜方法（Centeno TA, et al. Journal of Membrane Science，228(2004): 45-54.; Shiflett MB, et al. Science, 285(1999): 1902-1905.）。為了改善炭膜的氣體分離性能，研究者先后開發了諸多調控方法，如向前軀體中摻雜或引入易揮發的小分子或易分解的有機物（Tin PS, et al. Ind. Eng. Chem. Res., 43(2004): 6476-6483.）、側鏈或懸掛官能團（Yoshimune M, et al. Carbon, 45(2007): 553-560.）、無機粒子或無機鹽（王同華，劉慶嶺，邱介山. 中國發明專利，ZL200510200871.9; Park HB, et al. J. Membr. Sci., 235(2004): 87–98.）等。最近，研究也發現制膜液在固化成膜過程的控制對最終炭膜的氣體分離性能有顯著的影響。Fuertes等考察了固化成膜過程中的溫度和濕度等條件（Fuertes A B, et al. Microporous Mesoporous Mater., 33 (1999): 115-125.）。Tin等人在制膜液中加入醇類非溶劑影響前驅體高分子的物理性質及固化成膜速度，使得最終炭膜對O₂/N₂ 和CO₂/CH₄的選擇性分別由未經過預處理的6.4和78提高到8.8和88（Tin P S, et al. Microporous Mesoporous Mater., 73 (2004):151-160.）。Shao等人發現制膜液中的溶劑對炭膜的結構和氣體分離性能也存在顯著影響，溶劑與前驅體溶解度參數相差大的有利于提高滲透性，反之則有利于選擇性（Shao L, et al. J. Membr. Sci., 244 (2004):77–87.）。龐婧等人考察了NMP , CHCl₃, C₂H₂Cl₄, DMAc四種溶劑在制備炭膜時因影響了前驅體的溶解度和固化成膜過程中的溶劑揮發，從而影響了最終炭膜的結構和氣體分離性能（龐婧，等. 高等學校化學學報,32 (2011): 143-149.）。另外，他們也發現干燥方式（如冷凍干燥和冷藏干燥法）也會因影響制膜液中的前驅體分子結構及溶劑蒸發過程，從而最終影響到炭膜的氣體分離性能（龐婧，等. 無機材料學報, 26 (2011): 165-169）。這些研究工作都為炭膜在理論和日后工業應用上奠定了重要基礎。

雖然炭膜在各方面均比傳統聚合物膜存在無法比擬的優點，炭膜研究也已取得許多顯著成果，但經過幾十年發展，仍處于實驗室階段，未實現工業應用。限制炭膜發展的瓶頸問題是性價比低導致的市場競爭力小。因此，在現有基礎上，尋找新型高效的炭膜制備方法是從根本上提高炭膜的氣體分離性能，解決炭膜發展所面臨難題的必經之路。本發明人經過深入研究發現在炭膜制備過程中引入磁場干預，可實現對炭膜微觀結構和氣體分離性能進行調控的目的。通過優化前驅體、制膜液、固化成膜及炭化，可獲得具有良好氣體分離性能的炭膜。因此，研究開發用于調控炭膜氣體分離性能的磁場干預成膜方法將會極大地推動炭膜的發展與工業化應用。

發明內容

發明目的：