[發明專利]一種基于含液碳納米管薄膜的混合氣體分離方法

在審

• 申請號: 201810144359.4
• 申請日: 2018-02-12
• 公開（公告）號: CN108211679A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 葉宏飛;葉鑫;李東
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B01D53/22
• 分類號: B01D53/22
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

一種基于含液碳納米管薄膜的混合氣體分離方法屬于氣體分離技術領域。首先構建分離氣體模型，該分離氣體模型由多個碳納米管構建成碳納米管薄膜，并對每個碳納米管的端部進行封閉處理，碳納米管內部填充離子溶液；對碳納米管薄膜施加沿碳納米管軸向的拉伸預應力和側向的位移約束，碳納米管端部形成的多個微觀孔隙作為調控混合氣體分離的薄膜孔隙；薄膜孔隙的特征尺寸可由電場進行調控，電場的施加方向與碳納米管軸向方向一致，通過電場的施加和撤離實現對氣體傳輸或擴散的控制。本發明針對不同類型的混合氣體具有可調控性，分離混合氣體范圍廣，操作簡單且靈敏度高，所分離出氣體的純度較高，并且該碳納米管分離薄膜具有耐腐蝕、耐高溫、壽命長等特性。

技術領域

本發明屬于氣體分離技術領域，涉及一種以含液碳納米管構成的納米薄膜為基礎的混合氣體分離方法。

技術背景

混合氣體的分離與凈化在工業中是非常普遍且重要的操作，廣泛應用于化學、醫藥、食品、材料、環保等諸多行業及生產領域。作為工業生產中的關鍵環節之一，混合氣體的分離效率和純度能夠決定生產產品的質量、成本及利潤。因此，氣體的分離及提純在工業領域中具有非常重要的應用價值和經濟意義。

目前，氣體分離的技術和方法主要有深冷精餾法、溶劑吸收法、變壓吸附法、膜分離法等。其中，深冷精餾法具備分離純度高的優點，然而冷卻、壓縮等操作致使該方法的能耗較大；溶劑吸收法的適用范圍廣,但是其溶劑成分要依據具體氣體類型而確定，吸收效率不夠穩定，也容易導致污染；變壓吸附法具有耗能少、工藝流程簡單等優點，雖然存在產品回收率相對不高等問題，但其仍是現階段氣體分離行業逐漸推廣的重要技術之一；膜分離法的耗能較低且環保，但由于易堵塞導致穩定性較差，該方法也是目前廣受關注并發展迅速的氣體分離技術之一。

近年來，碳納米管由于具備了優異的力學、電學等性能在諸多領域引起了廣泛的關注。作為典型的納米材料(直徑通常在幾納米到幾十納米)，碳納米管可以以定向排列或者無序網絡的形式構成碳納米管薄膜從而實現其從納米結構至宏觀尺度材料的轉換。例如，中國發明專利(公開號：CN 101239712 B)公開了內含微孔的碳納米管薄膜結構的制備方法；中國發明專利(公開號：CN 103212305 B)公開了一種基于化學氣相沉積法的定向碳納米管納濾膜的制備方法；中國發明專利(公開號：CN 101791522 B)公開了一種具有高通量和高截留率的含碳納米管反滲透復合膜的制備方法，上述發明專利證實了碳納米管薄膜由于內部的微觀孔隙而具備了優良的分離和過濾屬性。然而，作為分離過濾效果和效率的重要決定因素之一，內部微觀孔隙的特征尺寸以及分布情況往往在薄膜制備成型后無法調節，這種尺寸的固定性制約了該類過濾膜材料的適應性。

值得注意的是，碳納米管具有中空的特殊結構，在其內部可以填充其它材料。例如，中國發明專利(公開號：CN 1704376 C)公開了一種利用金屬鹽作為原料的金屬氧化物填充碳納米管的制備方法；中國發明專利(公開號：CN 103979523 B)公開了一種在多壁碳納米管內部填充硫化鎘的方法；一些已有文獻還公開了利用超速離心法制備含液碳納米管的方法(Angew.Chem.Int.Ed.,50:2764-8,2011；ACSNano,5:3943-53,2011)，上述發明專利以及文獻表明碳納米管的中空結構可以由其它材料所填充，而這種填充甚至可以進一步改善并豐富碳納米管的基本性能。例如，對于內部填充離子溶液的碳納米管來說，在電場作用下內部離子受到的電場力可以誘導碳納米管發生變形。因此，相比于碳納米管薄膜，填充碳納米管薄膜的功能性更加豐富，結合這些特殊的性質可以進一步改善和增強其在分離和過濾方面的效果。

綜上所述，在已有碳納米管濾膜制備技術的基礎上，本發明提供了一種基于含液碳納米管薄膜電場響應特性而實施的混合氣體分離方法，該方法具有針對不同混合氣體類型的可調控性，較好地拓展了碳納米管濾膜的適應性。

發明內容