[发明专利]一种用于气体分离的混合基质膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于气体分离的混合基质膜及其制备方法，属于气体分离膜技术领域，所述基质膜包括双层结构，下层为支撑膜，上层为过滤膜，所述支撑膜为聚砜多孔膜，所述过滤膜是以具有多孔结构的沸石‑AlN/SiO₂纳米颗粒作为添加物，与高分子材料采用熔融拉伸法制备得到的高分子膜。本发明的目的是提供一种用于气体分离的混合基质膜及其制备方法，采用高比表面积的多孔纳米颗粒添加进混合基质膜中，使其具有良好的力学性能，其兼具优良透过性能和分离选择性能，该混合基质膜对气体表现出优异的分离效果。

技术领域

本发明涉及气体分离膜技术领域，尤其涉及一种用于气体分离的混合基质膜及其制备方法。

背景技术

膜材料分离气体的原理就是利用不同气体透过分离膜的速度差别，在膜的不同侧富集不同的气体组分。相对于传统的气体分离策略，这种方法具有效率高，能耗低，占地小和易操作等优点，这很符合新时期高效工业、绿色工业的要求。用于衡量气体分离膜性能的关键参数为透过率和选择性，具有高透过性的膜可以使用较少的膜材料，从而更加经济；具有高选择性的膜可以通过较少的分离次数就得到高纯度气体。所以同时具有高透过率和选择性的分离膜是实现高效经济气体膜分离过程的重要基础。膜材料本身作为膜分离技术的核心部分一直被广泛的研究，不断的有新型的材料被制备成膜用于分离。

分离膜材料按组成可以主要分为高分子膜和无机膜。其中，高分子膜因为其低廉的成本和良好的加工性，已经广泛应用于工业领域多种混合气体的分离应用。但是，研究发现具有高透过率的高分子膜的选择性都不理想，而选择性好的膜的透过率往往却很小，这是由于高分子膜自身结构和分离机理之间的矛盾造成的，同时大部分高分子的热稳定性和化学稳定性也限制了它的应用。

无机多孔膜(碳纳米管、分子筛和金属有机骨架材料等)一直被研究用于在气体分离应用领域替代高分子膜。无机多孔膜一般具有良好的选择性，均一的孔结构和较高的化学稳定性和热稳定性，这些优点使得无机多孔膜的分离效果优于高分子膜。不过无机膜才材料也面临一些挑战，比如很难加工得到大面积连续的膜，制备成本高等。

混合基质膜是将高选择性的多孔材料纳米颗粒掺杂到易制备、成本低的高分子中的一种复合膜材料，兼具高分子膜和无机多孔膜的性能。这种膜的优势在于保持了高分子膜成本低、易加工性等优点的同时，提升原有材料的分离性能，这种混合基质膜可以突破高分子膜和无机多孔膜性能局限。在混合基质膜分离气体的过程中，利用的是多孔纳米材料高比表面积这一独特性能，用以提高分离效果，所以提高多孔纳米材料的比表面积是制备高效混合基质膜所要克服的难点之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于气体分离的混合基质膜及其制备方法，采用高比表面积的多孔纳米颗粒添加进混合基质膜中，使其具有良好的力学性能，其兼具优良透过性能和分离选择性能，该混合基质膜对气体表现出优异的分离效果。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种用于气体分离的混合基质膜，所述基质膜包括双层结构，下层为支撑膜，上层为过滤膜，所述支撑膜为聚砜多孔膜，所述过滤膜是以具有多孔结构的沸石-AlN/SiO₂纳米颗粒作为添加物，与高分子材料采用熔融拉伸法制备得到的高分子膜。

进一步，所述沸石-AlN/SiO₂纳米颗粒是以沸石为核、以AlN/SiO₂为壳的壳核结构，所述AlN/SiO₂具有多孔结构。

进一步，所述过滤膜中的高分子材料为聚4-甲基-1-戊烯、聚乙烯、聚丙烯。

进一步，所述聚4-甲基-1-戊烯、聚乙烯、聚丙烯的质量比为1：1：0.2。

本发明还公开了一种用于气体分离的混合基质膜的制备方法，包括以下步骤：