[发明专利]一种聚酰亚胺/表面改性金属有机骨架混合基质膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种聚酰亚胺/表面改性金属有机骨架混合基质膜及其制备方法和应用，包括：采用多巴胺表面修饰可以有效阻止MOF粒子团聚，减小粒径；同时增加MOF材料与聚酰亚胺聚合物基质之间的相容性，减少聚合物/MOF相界面出现非选择性空隙；本发明聚酰亚胺/表面改性MOF混合基质膜的CO₂/N₂混合气和CO₂/CH₄混合气透过分离性能结果表明，表面改性的MOF掺杂可以同时提高膜材料的CO₂渗透系数及CO₂/惰性气体选择性，并且其混合气的分离性能均超过了2008年Robeson上限，说明通过制备聚酰亚胺/表面改性MOF混合基质膜可有效地强化膜的CO₂分离性能，可应用于烟道气中CO₂的捕集和天然气净化领域。

技术领域

本发明属于气体膜分离技术领域，具体涉及一种聚酰亚胺/表面改性金属有机骨架混合基质膜及其制备方法和应用。

背景技术

CO₂的分离与捕集在碳减排及天然气净化等方面具有广阔的应用前景，对于解决制约人类生存和可持续发展的能源和环境问题具有重要意义。相对于精馏、吸收等传统分离技术，气体膜分离技术凭借其高效节能、环境友好等优点受到广泛关注。

目前，膜材料渗透选择性能不足仍然是限制气体膜分离大规模工业化应用的重要因素之一，开发兼具高渗透性和高选择性的膜迫在眉睫。

为了提高聚合物膜的气体分离性能，研究人员提出了许多方法；其中，在聚合物基质中加入多孔添加剂制备混合基质膜是最具潜力的方法之一，该方法有望将两种材料的优点完美结合，使得所制混合基质膜既具有优异的机械性能和强的可加工性，又具有优异的气体分离性能。虽然目前报道的混合基质膜具有良好的气体分离性能，但是大规模工业化应用仍然面临诸多挑战。其中一个重要挑战是添加剂的选择，添加剂需要具有特定的粒径、孔径及表面官能团，并且该官能团与待分离气体具有亲和性；另一个重要挑战是添加剂与聚合物基质的界面相容性，如果添加剂与聚合物相界面出现非选择性空隙，则所有气体分子都容易穿过空隙，无法进行有效分离。

对于多孔添加剂，MOFs凭借其制备条件温和、比表面积高及孔体积大等优点而备受青睐。为了提高MOF与聚合物的界面相容性，对MOF表面进行改性是一种有效提高添加剂与聚合物基质界面相容性的方法。

综上，亟需一种新的聚酰亚胺/表面改性金属有机骨架混合基质膜及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚酰亚胺/表面改性金属有机骨架混合基质膜及其制备方法和应用，以解决现有混合基质膜的相容性问题。本发明的聚酰亚胺/表面改性金属有机骨架混合基质膜可用于CO₂分离。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种聚酰亚胺/表面改性金属有机骨架混合基质膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，采用多巴胺对MOF表面进行改性，获得表面改性MOF；

步骤2，将表面改性MOF添加到有机溶剂X中，分散均匀；加入聚酰亚胺膜材料，超声并磁力搅拌，使表面改性MOF纳米粒子均匀地分散在聚合物溶液中；通过溶液流延、干燥制备获得不同表面改性MOF含量的聚酰亚胺/表面改性金属有机骨架混合基质膜。

本发明的进一步改进在于，步骤1具体包括：

步骤1.1，在缓冲液中加入MOF，先超声再磁力搅拌，分散均匀，获得悬浊液；

步骤1.2，在悬浮液中加入多巴胺，先超声再磁力搅拌；

步骤1.3，离心，去离子水洗涤至中性，干燥得到表面改性MOF。