一种混合基质气体分离膜、制备方法及其在乙烷-乙烯分离中的应用技术

本发明专利技术涉及一种混合基质气体分离膜、制备方法及其在乙烷

【技术实现步骤摘要】
一种混合基质气体分离膜、制备方法及其在乙烷
‑
乙烯分离中的应用


[0001]本专利技术涉及一种混合基质气体分离膜、制备方法及其在乙烷
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乙烯分离中的应用，属于膜分离


技术介绍

[0002]与传统分离技术相比，膜分离过程因其操作便捷、设备占地小、易于集成化以及节能降耗等特点，已被人们视作可在石油化工分离过程中极具发展前途的新型分离技术。以乙烯工业生产过程为例，长链烷烃经过蒸汽裂解炉生成大量乙烯、乙烷混合气。若采用传统的低温精馏技术对二者进行分离，则需要在
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160℃下进行操作，这样比膜过程耗能高很多。因此，开发用于C2H4/C2H6分离的先进膜材料近年来受到了广泛关注并取得了长足的进步。当前，聚合物膜材料在市场中占据着绝对优势，但是受限于渗透系数和选择性之间的trade
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off效应，聚合物膜对乙烯和乙烷的分离捉襟见肘。
[0003]近年来，高性能纳米填充颗粒的发展层出不穷，特别是金属有机骨架材料(MOF)和氧化石墨烯(GO)材料的相继问世，混合基质膜受此影响也得到了长足发展。Long等[1]将M
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MOF
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74(M＝Mg,Mn,Ni and Co)掺入到6FDA
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DAM聚合物中制备，利用乙烯分子与不饱和金属位点间的相互作用提高膜对乙烯/乙烷的分离能力。同时，不饱和金属位点增强了填充颗粒与聚合物相的相互作用，从而提高了混合基质膜的抗塑化能力。
[0004]尽管人们在混合基质膜方面取得了一些成功，但是依旧有一些相界面良好的混合基质膜分离性能没有得到提升。这时，另一个重要的因素：填充颗粒和聚合物相气体传输性质匹配，需要被考虑在内。这里提到的“传输性质”包括渗透系数和选择性两方面。绝大多数情况下，孔道结构使得纳米填充颗粒的选择性高于聚合物基质。因此，传输性质匹配问题一般体现在渗透系数方面。Koros等人[2
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3]在4A分子筛/混合基质膜设计和制备中认识到渗透系数低的填充颗粒会阻碍混合基质膜中聚合物的气体传输速度从而降低混合基质膜整体的气体渗透系数。
[0005][1]Bachman J E,Smith Z P,Li T,Xu T,Long J R.Enhanced ethylene separation and plasticization resistance in polymer membranes incorporating metal
–
organic framework nanocrystals.Nature Materials.2016；15(8):845
‑
849.
[0006][2]Zimmerman C M,Singh A,Koros W J.Tailoring mixed matrix composite membranes for gas separations.Jouranl of Membrane Science.1997；137(1
‑
2):145
‑
154.
[0007][3]Mahajan R,Koros W J.Factors Controlling Successful Formation of Mixed
‑
Matrix Gas Separation Materials.Industrial&Engineering Chemistry Research.2000；39(8):2692
‑
2696.

技术实现思路

[0008]本专利技术一方面提出了一种基于分子筛分效应的用于乙烯/乙烷分离的UTSA
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280/6FDA型聚酰亚胺混合基质膜，该膜材料表现出了优异的乙烯/乙烷分离的选择性和渗透性。
[0009]另一个方面提出了一种用于预测在不同的聚酰亚胺基质条件下的UTSA
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280制备得到的混合基质膜的渗透系数的方法，本方法能够根据不同的基质的渗透性预测出制备出的分离膜的气体渗透性能。
[0010]另一个方面提出了用于计算在分离过程中的膜中的气体扩散系数的方法。
[0011]一种混合基质气体分离膜，其中包含有聚合物，以及混合于聚合物中的UTSA
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280纳米颗粒。
[0012]所述的UTSA
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280纳米颗粒在聚合物中的浓度范围是0.5
‑
40wt％，优选范围5
‑
30wt％，再优选范围是10
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25wt％。
[0013]所述的聚合物是聚酰亚胺系聚合物。
[0014]所述的聚酰亚胺系聚合物的制备方法包括如下步骤：
[0015]1)将六氟二酐和单体混合于有机溶剂中进行反应；所述的单体选自2,4,6
‑
三甲基
‑
1,3
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苯二胺或者3,5
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二氨基苯甲酸中的一种或两种的混合；
[0016]2)加入乙酸酐，并在催化剂的作用下，将步骤1)中的反应物进行亚胺化反应；
[0017]3)将反应物加入与甲醇接触，发生相转化，获得聚酰亚胺系聚合物。
[0018]所述的六氟二酐和单体的总量在有机溶剂中的浓度是10
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30wt％。
[0019]六氟二酐和单体的摩尔比范围是0.8
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1.2：1。
[0020]所述的单体是由2,4,6
‑
三甲基
‑
1,3
‑
苯二胺和3,5
‑
二氨基苯甲酸混合得到，且两者之间摩尔比3：(1.5
‑
2.5)。
[0021]所述的催化剂是三乙胺。
[0022]上述的混合基质气体分离膜的制备方法，包括如下步骤：
[0023]将UTSA
‑
280粉末分散于溶剂中，得到第一溶液；
[0024]将聚合物分散于溶剂中，得到第二溶液；
[0025]将两种溶液混合均匀后，涂于基板上，干燥后，烘干处理，得到分离膜。
[0026]所述的UTSA
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280粉末在第一溶液中的浓度1
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10wt％。
[0027]所述的聚合物在第一溶液中的浓度10
‑
30wt％。
[0028]所述的溶剂是四氢呋喃。
[0029]上述的混合基质气体分离膜在C2H4和C2H6分离中的应用。
[0030]所述的应用中，还包括对组分在分离膜中的扩散系数进行计算的过程；所述的扩散系数进行计算的步骤包括：
[0031]D
i
＝P
i
/S
i
；
[0032][0033]所述的Pi是i组分的渗透系数，Di是i组分的扩散系数，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合基质气体分离膜，其特征在于，其中包含有聚合物，以及混合于聚合物中的UTSA
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280纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的混合基质气体分离膜，其特征在于，所述的UTSA
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280纳米颗粒在聚合物中的浓度范围是0.5
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40wt％，优选范围5
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30wt％，再优选范围是10
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25wt％。3.根据权利要求1所述的混合基质气体分离膜，其特征在于，所述的聚合物是聚酰亚胺系聚合物；所述的聚酰亚胺系聚合物的制备方法包括如下步骤：1)将六氟二酐和单体混合于有机溶剂中进行反应；所述的单体选自2,4,6
‑
三甲基
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1,3
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苯二胺或者3,5
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二氨基苯甲酸中的一种或两种的混合；2)加入乙酸酐，并在催化剂的作用下，将步骤1)中的反应物进行亚胺化反应；3)将反应物加入与甲醇接触，发生相转化，获得聚酰亚胺系聚合物。4.根据权利要求1所述的混合基质气体分离膜，其特征在于，所述的六氟二酐和单体的总量在有机溶剂中的浓度是10
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30wt％；六氟二酐和单体的摩尔比范围是0.8
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1.2：1；所述的单体是由2,4,6
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三甲基
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1,3
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苯二胺和3,5
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二氨基苯甲酸混合得到，且两者之间摩尔比3：(1.5
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2.5)；所述的催化剂是三乙胺。5.权利要求1所述的混合基质气体分离膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将UTSA
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280粉末分散于溶剂中，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘公平，陈曦，金万勤，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：