分离有机蒸汽的PDMS-KIT-6复合膜及其制备方法

摘要

本发明公开了属于膜分离技术领域的一种分离有机蒸汽的PDMS-KIT-6复合膜及其制备方法。所述复合膜的制备为：首先合成表面疏水的KIT-6介孔材料，将PVDF基膜进行加热前处理后备用。将PDMS膜液溶解于正庚烷中制成均匀的制膜液，然后添加不同质量分数的KIT-6介孔材料，经过搅拌、超声脱泡后的膜液涂覆在基膜上，在一定温度下固化得到PDMS-KIT-6复合膜。本发明制备的复合膜，KIT-6在PDMS中分散均匀，且分离层致密无缺陷，与PVDF结合紧密。将制备得到的PDMS-KIT-6复合膜分别用于分离正丁烷/氮气、丙烯/氮气和丙酮/氮气，正丁烷、丙烯和丙酮的渗透系数能达到9×1014cm3（STP）cm/（cm2·s·cmHg）以上，分离因子大于16。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种用于有机蒸汽分离的复合膜制备方法，属于膜分离技术领域。 

【背景技术】

在石油化工、有机合成和油气的贮存及运输过程中，常常有大量的挥发性有机污染物排放到空气中，不仅造成有机物的浪费，而且还造成严重的环境污染。在节能减排这个大背景下，对有机蒸汽的回收变得非常必要。 

目前，传统的工业有机蒸汽回收技术主要有冷凝法和吸附-回收法。其中吸附-回收法是最早的有机蒸汽分离法，采用活性炭等吸附净化废气，然后用水蒸气脱附再生，具有较好的处理效果，并且在吸附后可将高附加值的有机物分离回收，但是需要预处理除去粉尘和油等杂质。冷凝法可以以液体方式回收有机物，但是对于低沸点的有机物则需要深冷分离，极大增加了能耗。 

膜分离技术是在20世纪初出现、20世纪60年代后迅速崛起并引起各国竞相研究开发的一门现代化工分离技术。同传统的化工分离技术相比，膜技术具有适用范围广、操作灵活简便、占地面积小、运行费用低、易于维护、便于放大等诸多优点，很快得到广泛应用。 

有机蒸汽分离的核心是膜材料的选择，从膜材料的凝聚态结构来看，为提高膜的渗透通量，应尽可能采用橡胶态膜。其中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜以其高度的链迁移性和对透过物溶解的快速响应性成为目前高分子膜材料中研究和应用的焦点。聚二甲基硅氧烷是目前工业化应用中透气性最大的气体分离材料之一，许多国外的研究人员使用这种材料进行VOC的回收研究，美国、日本也已经成功地把它制成富氧膜。它的缺点是透气选择性低、超薄化困难。它的扩散系数值虽高，但因为超薄化困难，透气速率并不高，使得应用受到一定限制。 

本发明的关键技术是制备性能优良的有机蒸汽分离复合膜。制备得到的复合膜不仅具有良好的化学和热稳定性，渗透系数和分离效果都优于纯的硅橡胶膜。 

【发明内容】

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种有机蒸汽分离 的复合膜及其制备方法，所制得的膜不仅提高了有机气体/氮气的选择性，渗透量还大幅度增加。 

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

一种用于有机蒸汽分离的复合膜制备方法包括以下步骤： 

（1）合成表面疏水的KIT-6介孔材料。 

（2）将购买的PVDF超滤膜（厚度约为200μm），在超纯水中浸泡3天，去除膜中残留杂质，随后在120℃下热处理12min，备用。 

（3）将步骤1中得到的具有疏水表面的KIT-6固体材料分散到溶剂溶解后的PDMS制膜液中，KIT-6与PDMS制膜液的质量比为2-25%，搅拌30min，然后采用超声分散脱气30min。 

（4）将步骤3中所得的膜液用缠有0.25mm粗铜丝的玻璃棒匀速地刮涂在步骤2中预处理好的PVDF膜上，室温下干燥24-36h，使溶剂挥发，随后，在烘箱中100℃反应3-6h，即可获得所要制备的复合膜。 

本发明制得的复合膜材料组成成分为： 

KIT-6介孔材料与PMDS制膜液的质量比为2-25%。 

本发明所制得的膜的分离性能由渗透量和分离因子两个参数评价。渗透系数计算式如下： 

$>P=\frac{Q·1}{A·\mathrm{\Delta p}}(c{m}^3\left(\mathrm{STP}\right)\mathrm{cm}/({\mathrm{cm}}^2·s·\mathrm{cmHg})---\left(1\right)$>

式中，Q——透过膜的气体流量，cm³/s； 

l——膜的厚度，μm； 

A——膜的有效面积，cm²； 

△p——膜两侧的压力差，cmHg。 

分离因子定义如下： 

$>\alpha =\frac{P_o}{P_{N_2}}---\left(2\right)$>

式中，Po——有机气体的渗透系数，（cm³（STP）cm/（cm²×s×cmHg）； 

P_N2——N₂的渗透系数，（cm³（STP）cm/（cm²·s·cmHg）。 

本发明的有益效果是：本发明成本低廉，所采用的PVDF和PDMS材料都已经商业化，并且PDMS膜液在PVDF底膜上分布均匀，无缺陷且二者结合紧 密。对有机废气中有价值的有机物具有较好的选择透过性、处理量很大、能够耐受高温。 

将制备得到的PDMS-KIT-6复合膜分别测试正丁烷和氮气纯组分的渗透量，从而得到正丁烷/氮气的理想分离因子。操作条件为：308.15K，压力差为0.1MPa。该条件下，正丁烷、丙烯和丙酮的渗透系数能达到9×10¹⁴cm³（STP）cm/（cm²·s·cmHg）以上，分离因子大于16。 

【具体实施方式】

下面结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。 

实施例一 

本实施例的制备方法是这样实现的，包括以下步骤： 

（1）根据文献（Kim,T.M.et al.J.Am.Chem.Soc.,2005,127,7601）：35℃水浴下，将11.2g HCL(37%)加入到217mL超纯水中，然后加入6g聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物（以下简称P123），待P123完全溶解后，加入6g正丁醇和12.9g正硅酸乙酯（以下简称TEOS），剧烈搅拌24h后，转入高压反应釜中，于100℃水热24h。对得到的固体产物进行抽滤、洗涤，100℃干燥过夜。随后，将白色粉末用乙醇和少量盐酸在60℃下洗涤12h，抽滤，洗涤后，室温干燥过夜。最后，于550℃焙烧4h（升温速率：5℃/min），最终得到KIT-6介孔分子筛材料。 

（2）将合成的KIT-6介孔分子筛在150℃下真空脱气24h，以除去表面吸附的水及其他有机杂质。将5mL苯基三乙氧基硅烷（PTES）加入到50mL甲苯中，然后加入1g干燥过的KIT-6，在110℃条件下回流24h。将得到的功能化分子筛过滤，乙醇洗涤后，于100℃真空干燥，即可得到表面疏水的KIT-6介孔材料。 

（3）将购买的PVDF超滤膜（厚度约为200μm），在超纯水中浸泡3天，去除膜中残留杂质，随后在120℃下热处理12min，备用。 

（4）将步骤2中得到的具有疏水表面的KIT-6固体材料分散到正庚烷溶解后的PDMS制膜液中，KIT-6与PDMS制膜液的质量比为2%，搅拌30min，然后采用超声分散脱气30min。 

（5）将步骤4中所得的膜液用缠有0.25mm粗铜丝的玻璃棒匀速地刮涂在步骤3中预处理好的PVDF膜上，室温下干燥24-36h，使溶剂挥发，随后，在烘箱中100℃交联3-6h，即可获得所要制备的复合膜。 

实施例二 

本实施例的制备方法是这样实现的，包括以下步骤： 

（1）根据文献（Kim,T.M.et al.J.Am.Chem.Soc.,2005,127,7601）：35℃水浴下，将11.2g HCL(37%)加入到217mL超纯水中，然后加入6g P123，待P123完全溶解后，加入6g正丁醇和12.9g TEOS，剧烈搅拌24h后，转入高压反应釜中，于100℃水热24h。对得到的固体产物进行抽滤、洗涤，100℃干燥过夜。随后，将白色粉末用乙醇和少量盐酸在60℃下洗涤12h，抽滤，洗涤后，室温干燥过夜。最后，于550℃焙烧4h（升温速率：5℃/min），最终得到KIT-6介孔分子筛材料。 

（2）将合成的KIT-6介孔分子筛在150℃下真空脱气24h，以除去表面吸附的水及其他有机杂质。将5mL苯基三乙氧基硅烷（PTES）加入到50mL甲苯中，然后加入1g干燥过的KIT-6，在110℃条件下回流24h。将得到的功能化分子筛过滤，乙醇洗涤后，于100℃真空干燥，即可得到表面疏水的KIT-6介孔材料。 

（3）将购买的PVDF超滤膜（厚度约为200μm），在超纯水中浸泡3天，去除膜中残留杂质，随后在120℃下热处理12min，备用。 

（4）将步骤2中得到的具有疏水表面的KIT-6固体材料分散到正庚烷溶解后的PDMS制膜液中，KIT-6与PDMS制膜液的质量比为10%，搅拌30min，然后采用超声分散脱气30min。 

（5）将步骤4中所得的膜液用缠有0.25mm粗铜丝的玻璃棒匀速地刮涂在步骤3中预处理好的PVDF膜上，室温下干燥24-36h，使溶剂挥发，随后，在烘箱中100℃交联3-6h，即可获得所要制备的复合膜。 

实施例三 

本实施例的制备方法是这样实现的，包括以下步骤： 

（1）根据文献（Kim,T.M.et al.J.Am.Chem.Soc.,2005,127,7601）：35℃水浴下，将11.2g HCL(37%)加入到217mL超纯水中，然后加入6g P123，待P123完全溶解后，加入6g正丁醇和12.9g TEOS，剧烈搅拌24h后，转入高压反应 釜中，于100℃水热24h。对得到的固体产物进行抽滤、洗涤，100℃干燥过夜。随后，将白色粉末用乙醇和少量盐酸在60℃下洗涤12h，抽滤，洗涤后，室温干燥过夜。最后，于550℃焙烧4h（升温速率：5℃/min），最终得到KIT-6介孔分子筛材料。 

（2）将合成的KIT-6介孔分子筛在150℃下真空脱气24h，以除去表面吸附的水及其他有机杂质。将5mL苯基三乙氧基硅烷（PTES）加入到50mL甲苯中，然后加入1g干燥过的KIT-6，在110℃条件下回流24h。将得到的功能化分子筛过滤，乙醇洗涤后，于100℃真空干燥，即可得到表面疏水的KIT-6介孔材料。 

（3）将购买的PVDF超滤膜（厚度约为200μm），在超纯水中浸泡3天，去除膜中残留杂质，随后在120℃下热处理12min，备用。 

（4）将步骤2中得到的具有疏水表面的KIT-6固体材料分散到正庚烷溶解后的PDMS膜液中，KIT-6与PDMS制膜液的质量比为25%，搅拌30min，然后采用超声分散脱气30min。 

（5）将步骤4中所得的膜液用缠有0.25mm粗铜丝的玻璃棒匀速地刮涂在步骤3中预处理好的PVDF膜上，室温下干燥24-36h，使溶剂挥发，随后，在烘箱中100℃交联3-6h，即可获得所要制备的复合膜。 

以上3个实施例所制得的复合膜性能见下表：