[發明專利]一種高性能非線型非醚基團摻雜的混合基質膜

有效

• 申請號: 201810052948.X
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號: CN110052124B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 趙丹;任吉中;伍勇東;李暉;花開勝;季潔梅;鄧麥村
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: B01D53/22
• 分類號: B01D53/22;B01D69/14;B01D67/00;C08J5/18;C08L77/00
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 鄭虹

本發明提供一種高性能非線型非醚基團摻雜的混合基質膜，所述混合基質膜包含聚合物基質、主體填料和輔助填料；各種物質的質量百分比為：聚合物基質20～100％，主體填料0～80％，輔助填料0～50wt％；主體填料采用具有非線型結構、含有酯基、腈基、羰基等基團的材料，可有效促進輔助填料的均勻分散，多種填料可從氣體溶解性以及擴散性兩方面同時發揮作用，更有效地提高混合基質膜的氣體滲透性能。通過調節填料鏈段碳原子數即鏈段長度，可使混合基質膜的耐受溫度和滲透性能均提高。本發明制備的混合基質膜具有優異的酸性氣體CO₂、SO₂和H₂S分離性能。

技術領域

本發明涉及氣體分離膜技術領域，具體涉及一種高性能非線型非醚基團摻雜的混合基質膜。

背景技術

酸性氣體(如CO₂、SO₂、H₂S)的脫除是關系全球能源和環境的重大問題，尤其是CO₂，它過度排放引起的氣候變化已成為全球各國共同面對的巨大危機，其中55％的CO₂源于火電廠和其他工業過程的煙道氣。氣體膜分離技術是CO₂捕集與分離的一項重要技術，但是其滲透分離性和穩定性問題制約著該技術的應用。開發兼具高滲透分離性和良好穩定性的新型膜分離材料是目前CO₂分離膜的發展方向。

醚氧(EO)基團是對CO₂具有優異滲透分離性能的官能團，然而純EO基團的聚合物——聚氧化乙烯(PEO)較高的結晶度(71％)導致其滲透系數非常低(12Barrer)。將EO基團作為鏈段合成嵌段共聚物是抑制其結晶的有效方法之一。聚醚嵌段酰胺(Pebax)是一種商業化的由無定形聚醚(PE)軟鏈段和結晶態脂肪族聚酰胺(PA)硬鏈段組成的共聚物，兼具橡膠態聚合物和玻璃態聚合物的特征，在CO₂分離方面具有較大的潛力。聚氧化乙烯-聚對苯二甲酸丁二醇酯(Polyactive)是一種和Pebax結構相似的聚合物，也是(A-B)_n型。此外，含EO基團的嵌段共聚物還包括聚氧化乙烯-聚酰亞胺嵌段共聚物、聚氧化乙烯-聚醚酰亞胺嵌段共聚物等。

為了進一步提高Pebax等EO基團嵌段共聚物的CO₂分離性能，目前較多地通過引入填料制備混合基質膜這種途徑。填料整體上分為無機填料和有機填料兩大類。無機填料由于和聚合物的性質差異較大，易發生團聚或沉降等，有礙于自身優良特性的充分發揮以及混合基質膜性能的有效提高，甚至造成膜性能的惡化。有機填料中較多地采用含有EO基團的填料來改善Pebax的性能。對PEG、各種醚類封端PEG如聚乙二醇二甲醚(PEGDME)等含EO基團材料的研究發現，EO基團對Pebax滲透性能的提升基本限制在4-5倍，繼續提高很困難。因此，需要尋找新的可替代基團和填料。

除了EO基團，酯基、腈基、羰基等基團也對CO₂也具有較高的溶解性。但這些較強的極性使得膜材料鏈段剛性增加，自由體積降低，氣體擴散系數較低。為了充分發揮這些基團的作用，一方面需要充分利用其較高CO₂溶解性，另一方面需要抑制結晶，提高膜材料自由體積。抑制結晶的途徑包括降低分子量、設計分枝結構等。因此，本發明通過從材料的幾何形狀入手，通過對其結構的設計調整及甄選，制備適于CO₂分離的穩定的高性能混合基質膜具有顯著意義。

發明內容