一种基于碳纳米管/氧化石墨烯聚酰亚胺的气体分离膜.pdf

本发明属于膜分离技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜。其制备方法是使用化学氧化法获得碳纳米管/氧化石墨烯新型纳米碳结构，将一定量的碳纳米管/氧化石墨烯纳米材料均匀分散在二甲基乙酰胺中，然后加入聚酰亚胺粉末搅拌至均匀，静置脱气后，室温下涂覆并干燥，从而制备出一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜。相比于聚酰亚胺分离膜，该气体分离膜具有热稳定性好，气体渗透系数与分离系数较高等特点，在气体分离膜领域具有重要的应用前景。

权利要求书
1.  一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜，其特征在于：将氧化石墨烯(1)包裹的碳纳米管(2)均匀分散在二甲基乙酰胺中，再加入聚酰亚胺溶解后，静置、旋涂成膜(3)，形成一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜。

2.  依据权利要求1所述的碳纳米管/氧化石墨烯结构的制备方法，其步骤如下：
(1)将150毫克氧化多壁碳纳米管分散在36毫升浓硫酸中，搅拌均匀后，加入4毫升磷酸，再搅拌20分钟；
(2)将750毫克高锰酸钾加入步骤(1)中所述的混合溶液中，搅拌1小时后，在60℃下搅拌2小时；
(3)将(2)中所述溶解加入到100毫升含5％双氧水的冰中，静置14小时后，除去上清液；
(4)将(3)中溶液用30％盐酸清洗，然后将产物溶于60毫升30％盐酸中，静置12小时后，抽滤清洗至中性，得到碳纳米管/氧化石墨烯。

3.  依据权利要求1所述的一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜，其步骤如下：
(5)将一定量步骤(1)-(4)中制备的碳纳米管/氧化石墨烯分散到二甲基乙酰胺中，超声20分钟，再加入一定量的聚酰亚胺，搅拌至完全溶解，静置24小时脱气后，涂覆并干燥成膜。

说明书一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜
技术领域
本发明属于膜分离技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜及其制备方法。
背景技术
高分子膜因具有较高的热稳定性和良好的机械性质被广泛的应用在气体分离领域。然而，高分子气体分离膜存在罗伯逊上限，影响了气体渗透系数与分离系数的共同提高，严重降低了高分子气体分离膜的应用价值。
为了同时提高高分子膜的渗透系数与分离系数，研究人员将纳米材料，如纳米二氧化钛、纳米二氧化硅和金属-有机骨架材料等，与高分子复合，制备出气体分离性能优异的高分子复合膜。然而，上述纳米材料与高分子的相容性较差，导致高分子复合膜的机械性能降低，极大地限制了该类气体分离膜的应用范围。近年来，碳纳米管和石墨烯等新型纳米碳材料因其自身的优异性能及与高分子良好的相容性而被广泛应用在高分子气体分离膜的制备中。Kim等人研究发现将碳纳米管与聚二甲基硅氧烷复合[Desalination,2006,192(1):330-339]，Rajabi等人研究发现将碳纳米管与聚氯乙烯复合[JournalofIndustrialandEngineeringChemistry,2013,19(1):347-352]，都能够提高复合分离膜的气体分离能力。然而，单一碳纳米管-高分子复合膜的自由体积较小，不利于气体分离性能的进一步提高。
为了增加气体分离膜的自由体积，我们在结构上对碳纳米管进行改进，首次利用化学法制备了碳纳米管/氧化石墨烯复合结构并将其应用在聚酰亚胺气体分离膜中。该气体分离膜成本低廉，具有较好的热稳定性，较高的气体渗透系数与分离系数，在气体分离膜领域具有重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜及其制备方法。
下面简要阐述本发明的实现过程。首先以氧化碳纳米管为原材料，利用化学氧化法制得碳纳米管/氧化石墨烯，取一定量碳纳米管/氧化石墨烯超声分散于二甲基乙酰胺，得到均匀的分散液。再将一定量的聚酰亚胺溶于上述溶液中，搅拌至完全溶解，静置脱气后，涂敷在玻璃板上干燥成膜，得到一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜。
本发明所述一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜的制备方法，其步骤如下：
(1)将150毫克氧化碳纳米管分散在36毫升浓硫酸中，搅拌均匀后，加入4毫升磷酸，再搅拌20分钟；
(2)将750毫克高锰酸钾加入步骤(1)中所述的混合溶液中，搅拌1小时后，在60℃下搅拌2小时；
(3)将(2)中所述溶解加入到100毫升含5％双氧水的冰中，静置14小时后，除去上清液；
(4)将(3)中溶液用30％盐酸清洗，然后将产物溶于60毫升30％盐酸中，静置12小时后，抽滤清洗至中性，得到碳纳米管/氧化石墨烯；
(5)将一定量步骤(1)-(4)中制备的碳纳米管/氧化石墨烯分散到二甲基乙酰胺中，超声20分钟，再加入一定量的聚酰亚胺，搅拌至完全溶解，静置24小时脱气后，涂覆并干燥成膜；
本发明所提供的一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜。相比于聚酰亚胺分离膜，该气体分离膜具有较好的热稳定性，较高的气体渗透系数与分离系数，在气体分离膜领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1依据本发明所提供的一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜示意图。
图2依据本发明所提供的本征聚酰亚胺分离膜(a)和复合聚酰亚胺分离膜(b)氢气、二氧化碳和氮气的气体分离结果。
具体实施方式
下面结合附图来详细描述本发明。
实施例1，将150毫克氧化碳纳米管分散在36毫升浓硫酸中，搅拌均匀后，加入4毫升磷酸，再搅拌20分钟。然后将750毫克高锰酸钾加入上述的混合溶液中，搅拌1小时后，在60℃下搅拌2小时。之后将上述所得溶液加入到100毫升质量分数为5％双氧水的冰中，静置14小时后，除去上清液。剩余溶液用30％盐酸清洗，然后将产物溶于60毫升30％盐酸中，静置12小时后，抽滤清洗至中性，得到碳纳米管/氧化石墨烯。将35毫克的碳纳米管/氧化石墨烯分散到5毫升二甲基乙酰胺中，超声20分钟，再加入0.74克聚酰亚胺，搅拌至完全溶解，静置24小时脱气后，涂覆在干净的玻璃板上并干燥成膜，得到一种基于碳纳米管/氧化石墨烯-聚酰亚胺的气体分离膜如图1所示。
分别将本征聚酰亚胺膜和复合聚酰亚胺膜在23℃，0.1MPa下分别测试氢气、氮气和二氧化碳，测试结果如图2所示，其中(a)为本征聚酰亚胺测试结果，(b)为复合聚酰亚胺测试结果。结果表明：复合聚酰亚胺的氢气和二氧化碳的气体渗透系数比本征聚酰亚胺的渗透系数分别提高了248.8％和214.5％，相对于氮气的分离系数分别提高了158.6％和161.7％。