混合基质膜及其制备方法和应用

本发明涉及膜分离，具体涉及一种混合基质膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、化石燃料的燃烧造成了co2的大量排放，大气中co2浓度的上升加剧了气候变化。基于碳捕获与利用的可持续co2管理在解决排放控制和能源供应方面发挥着重要作用。作为碳管理链的上游，从大气和主要排放源中捕获co2是一种直接有效的碳去除方法，是获得高纯度co2的先决条件。

2、分离膜可以在连续和稳态条件下进行，为co2捕集提供了一条更环保、更节能的途径。气体分离膜技术是利用混合气体中不同气体在膜两侧气体的压力推动下表现出不同渗透速率，在渗透侧得到富集的易渗透气体，在未渗透侧得到不易渗透的气体，从而达到气体分离的目的。目前常用的气体分离膜材料主要是有机膜材料，有机膜材料在气体分离过程中存在一个上限，即气体渗透性增强则选择性减弱，选择性增强则渗透性减弱。为解决这一问题，现有技术通常将能够促进co2传递的功能性填料引入有机膜材料中制备混合基质膜材料，以使制得的复合膜具有高分离系数、高渗透系数或者二者兼得的优势。

3、碳酸酐酶是一类催化co2快速水合为碳酸氢根离子和一个质子的含锌酶，转化速率约为106/s。碳酸酐酶广泛存在于自然界中，被认为是一种有潜力的加速co2捕捉的酶。将碳酸酐酶固定到金属有机骨架中或者聚合物基质中，利用碳酸酐酶催化co2水合反应的机制，可制备具有促进co2分子传递的复合膜。但由于其价格昂贵，无法重复使用，酶活性易受外界环境影响，很难实现大规模工业化应用。因此，开发具有相似催化活性的仿生酶十分重要。

4、目前的仿生酶多为咪唑类衍生物与金属锌离子配位形成的金属有机骨架材料或者配合物材料。其形貌多为颗粒状，只能分散于溶剂中，无法以分子结构存在于溶剂中，最终使得所形成的混合基质膜存在界面相容性差、成膜均匀性差、形貌不规整、表面粗糙度高等缺陷。并且这些材料易团聚，容易形成大的颗粒，将更大的颗粒作为填料时，会进一步降低填料与高分子聚合物的界面相容性，从而产生界面缺陷，会严重降低混合基质膜的分离性能，严重限制了混合基质膜的广泛应用。

5、因此，亟需研发一种界面相容性好、co2渗透性和co2/n2选择性均表现优异的混合基质膜。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的混合基质膜界面相容性差导致分离性能差、分离效率低的问题，提供一种混合基质膜及其制备方法和应用。本发明所述的混合基质膜在co2渗透性和co2/n2选择性方面均表现优异，因此具有改进的分离性能和分离效率。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种混合基质膜，所述混合基质膜包括聚合物基质和均匀分散于所述聚合物基质的mo132。

3、本发明第二方面提供一种混合基质膜的制备方法，所述方法包括：将聚合物基质溶液和mo132溶液混合后进行制膜得到所述混合基质膜。

4、本发明第三方面提供第一方面所述的混合基质膜在co2分离中的应用。

5、通过上述技术方案，本发明所取得的有益技术效果如下：

6、(1)本发明提供的混合基质膜中掺杂有mo132无机高核金属团簇，其尺寸约为3纳米，可以很好地溶解在水中，从而实现真正意义上的分子水平掺杂，有效解决了填料与聚合物基质界面相容性差，从而产生界面缺陷，影响气体分离性能的问题。

7、(2)在本发明形成的混合基质膜中，mo132与聚合物基质存在氢键相互作用，使得纳米团簇与聚合物在分子水平上实现组装，解决了界面不相容的问题。

8、(3)本发明提供的混合基质膜具有促进co2高效传递、co2/n2高效分离的优势，因此大大改进了分离性能，提高了分离效率。

9、(4)本发明提供的混合基质膜中所掺杂的mo132无机高核金属团簇具有仿碳酸酐酶特性，对环境适应性强，合成原料廉价易得。

技术特征：

1.一种混合基质膜，其特征在于，所述混合基质膜包括聚合物基质和均匀分散于所述聚合物基质的mo132。

2.根据权利要求1所述的混合基质膜，其中，所述聚合物基质选自聚醚嵌段酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯胺和聚乙二醇中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的混合基质膜，其中，以所述混合基质膜的总重量为基准，mo132的含量不高于10wt％，优选为5-7wt％。

4.一种混合基质膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将聚合物基质溶液和mo132溶液混合后进行制膜得到所述混合基质膜。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述聚合物基质选自聚醚嵌段酰胺、聚乙烯醇、聚乙烯胺和聚乙二醇中的至少一种；

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述第二溶剂选自水、dmf中的至少一种；

8.根据权利要求5-7中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(3)所述的混合在搅拌条件下进行；

9.根据权利要求5-8中任意一项所述的制备方法，其中，所述制膜的操作包括：将混合液置于载体上，进行干燥后得到所述混合基质膜；

10.权利要求1-3中任意一项所述的混合基质膜在co2分离中的应用。

技术总结
本发明涉及膜分离技术领域，公开了一种混合基质膜及其制备方法和应用。所述混合基质膜包括聚合物基质和均匀分散于所述聚合物基质的Mo<subgt;132</subgt;。所述方法包括：将聚合物基质溶液和Mo<subgt;132</subgt;溶液混合后进行制膜得到所述混合基质膜。本发明还涉及所述的混合基质膜在CO<subgt;2</subgt;分离中的应用。本发明提供的混合基质膜具有促进CO<subgt;2</subgt;高效传递、CO<subgt;2</subgt;/N<subgt;2</subgt;高效分离的优势，因此大大改进了分离性能，提高了分离效率。

技术研发人员：宋宇飞,赵万磊,陈伟,郑若轩
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15