一种用于捕集/分离空气中二氧化碳的中空纤维膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种用于捕集/分离二氧化碳的中空纤维膜及其制备方法。属于气体分离领域。所述的中空纤维膜上含有大量的活性胺基，利用活性胺基与二氧化碳之间的化学反应，实现二氧化碳捕集/分离的目的，该中空纤维使用起来方便、快捷，没有二次污染。该发明专利技术利用中空纤维膜大的比表面积提高活性胺基的利用率；利用中空纤维膜高的传质效率提高净化气体的效率。具体制备方法：首先通过干

【技术实现步骤摘要】
一种用于捕集/分离空气中二氧化碳的中空纤维膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于气体分离
，具体涉及一种用于二氧化碳捕集/分离的中空纤维膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]大气中的二氧化碳浓度正以每年2ppm的速度增长，已经从工业革命前的280ppm增长到现在的420ppm，大气中二氧化碳浓度的增长造成了一系列的环境问题，比如，气候变暖、冰川融化、极端天气、沙漠化等。因此，控制大气中的二氧化碳浓度增长速度已经迫在眉睫，碳捕集是解决这个问题的关键技术。早在1999年就有科学家提出直接从空气中捕集二氧化碳的概念，经过二十几年的发展，直接从空气中捕集二氧化碳的技术已延伸到环境调控和密闭空间内低浓度二氧化碳消除。
[0003]在直接从空气中捕集二氧化碳的技术应用中，二氧化碳吸附剂是核心部分。二氧化碳吸附剂在吸附过程中必须具备较大的吸附量，较快的吸附动力学，同时，在脱附过程中必须具有较快的脱附速率。固态胺吸附剂具有较大的吸附容量，较快的吸附动力学，并且胺基与二氧化碳之间的相互作用比较弱，脱附再生时能耗低。粉末状的固态胺吸附剂虽然具有较大的吸附容量，但是在使用过程中，吸附剂容易沉降，造成气流通道堵塞，影响二氧化碳吸/脱附效率。将固态胺粉末装填到具有固定孔道结构的基底上可以避免气流通道被堵塞的问题，但是，吸附剂吸附容量减小不可避免。为了解决气体处理效率低、吸附剂吸附容量小的问题，我们提出了利用中空纤维膜吸附二氧化碳的想法，该想法结合了固态胺与中空纤维膜的优势。中空纤维膜具有较大的比表面积，可以在中空纤维膜的膜孔道内通过化学反应负载活性胺基，提高胺基的利用率，提高二氧化碳吸附容量。同时，由于中空纤维膜具有教高的传质，传热速率，因此，中空纤维膜吸附剂在吸附二氧化碳的过程中具有较高的吸/脱附效率。我们在CN112337448A中已经公开了一种中空纤维膜二氧化碳吸附剂及其制备方法，即利用中空纤维膜上的活性基团与胺类化合物直接反应，制备中空纤维膜二氧化碳吸附剂。
[0004]界面聚合是一种有效的在基底表面形成独特结构和提高基底性能的制备技术，在比较温和的条件下通过界面聚合反应可以在膜基底上形成一层超薄活性膜，并且通过界面聚合反应形成的薄膜缺陷小、粘附性好、附着力强。因此，可以利用界面聚合反应将活性胺基在温和的条件下负载到由不同材料制备的中空纤维膜膜表面来制备二氧化碳吸附剂。该方法不仅能减少制备过程中的能耗，同时也能扩展制备中空纤维膜二氧化碳吸附剂材料的种类，为中空纤维膜二氧化碳吸附剂走向应用提供保障。
[0005]本专利技术开发了一种通过界面聚合将活性胺基负载到中空纤维膜孔道内来制备二氧化碳吸附剂的方法，该方法不仅可将活性胺基通过界面聚合固定到中空纤维膜的孔道中，避免胺类流失，同时，也可通过进一步原位聚合或超枝化反应提高了中空纤维膜内活性胺基含量，提升了二氧化碳吸附容量。利用该方法制备的中空纤维膜结合了固态胺和中空
纤维膜的优势，可在环境温度下高效捕集/分离空气中的二氧化碳。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种用于二氧化碳捕集/分离的中空纤维膜及其制备方法。该专利技术的特征是通过界面聚合反应把活性胺基负载到中空纤维膜孔内，通过原为聚合或者超支化反应提高中空纤维膜内活性胺基的含量。在使用过程中，将含二氧化碳的空气从中空纤维一端通入，从另一端流出，利用中空纤维膜孔上的活性胺基与二氧化碳反应，将空气中的二氧化碳捕集，中空纤维膜捕集二氧化碳结束后，通过减压脱附再生，同时分离除高浓度的二氧化碳，从而达到快速、高效、安全的捕集/分离空气中二氧化碳的目的。
[0007]本专利技术所述的中空纤维膜是通过以下技术路线实现的：
[0008]1)采用干
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湿相转化法制备中空纤维膜；
[0009]2)通过界面聚合反应或直接胺基接枝反应将活性胺负载到中空纤维膜孔道中；
[0010]3)通过原位聚合或者超支化反应提高中空纤维膜内活性胺基含量；
[0011]4)将中空纤维膜组装成组件，进行二氧化碳捕集；
[0012]5)将中空纤维膜组减压脱附再生，进行二氧化碳分离。
[0013]本专利技术提供的中空纤维膜具有以下显著优良特性：
[0014]1)界面聚合制备中空纤维膜二氧化碳吸附剂，能耗低，胺基负载量大；
[0015]2)胺基通过界面聚合固定在中空纤维膜表面，附着力强，能避免胺类化合物挥发造成二次污染。
[0016]3)采用中空纤维膜作为活性胺基载体，可以提高二氧化碳吸附剂的吸附容量，同时，由于中空纤维膜具有较高的传质效率，也可以提高气体处理效率。
具体实施例
[0017]下面通过实施例对本专利技术做进一步描述，但本专利技术的实施方式不限于此，不能理解为对本专利技术保护范围的限制。
[0018]实施例1：12.0g聚酰胺(质量占纺丝液总质量的12％)溶于83.0g N
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甲基吡咯烷酮中，然后加入5.0g聚乙烯吡咯烷酮(K30)，搅拌均匀后得到纺丝液，最后采用干
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湿相转化法制备聚酰胺中空纤维膜。将制备好的中空纤维膜浸入含有二乙三胺、丙二醛的水溶液中，氮气保护下，65℃反应10小时。反应结束后，取出中空纤维膜分别用水、乙醇洗涤，最后干燥得到中空纤维膜。界面聚合后活性胺的负载量为45.6wt％。中空纤维膜对空气中二氧化碳气体的吸附容量为7.5wt％。
[0019]实施例2：15.0g聚亚酰胺(质量占纺丝液总质量的15％)溶于80.0g N，N
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二甲基甲酰胺，然后加入5.0g聚乙烯吡咯烷酮(K30)，搅拌均匀后得到纺丝液，最后采用干
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湿相转化法制备聚酰胺中空纤维膜。将制备好的中空纤维膜浸入含有三乙四胺、丁二醛的甲醇溶液中，氮气保护下，65℃反应12小时。反应结束后，取出中空纤维膜分别用水、乙醇洗涤，最后干燥得到中空纤维膜。界面聚合后活性胺的负载量为55.2wt％。中空纤维膜对空气中二氧化碳气体的吸附容量为8.5wt％。
[0020]实施例3：18.0g聚醚酰胺(质量占纺丝液总质量的18％)溶于77.0g二甲基亚砜中，然后加入5.0g聚乙烯吡咯烷酮(K30)，搅拌均匀后得到纺丝液，最后采用干
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湿相转化法制
备聚酰胺中空纤维膜。将制备好的中空纤维膜浸入含有四乙五胺、戊二醛的水溶液中，氮气保护下，65℃反应10小时。反应结束后，取出中空纤维膜分别用水、乙醇洗涤，最后干燥得到中空纤维膜。界面聚合后活性胺的负载量为49.6wt％。中空纤维膜对空气中二氧化碳的吸附容量为7.4wt％。
[0021]实施例4：20.0g聚丙烯腈(质量占纺丝液总质量的20％)溶于75.0g N
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甲基吡咯烷酮中，然后加入5.0g聚乙烯吡咯烷酮(K90)，搅拌均匀后得到纺丝液，最后采用干
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湿相转化法制备聚酰胺中空纤维膜。将制备好的中空纤维膜浸入含有聚亚乙烯胺、己二醛的水溶液中，氮气保护下，65℃反应10小时。反应结束后，取出中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于捕集/分离空气中二氧化碳的中空纤维膜，其特征在于：所述中空纤维膜具有大量的微孔和介孔结构，活性胺基通过界面聚合反应固载到中空纤维膜孔内，通过进一步原位聚合反应或超支化反应提高膜孔内胺基的含量。环境温度下，含有二氧化碳的空气穿过中空纤维膜孔，膜孔内活性胺基可迅速通过化学反应捕集空气中的二氧化碳，捕集结束后，中空纤维膜可以再生释放高纯度的二氧化碳，通过对再生产生的二氧化碳进行收集，压缩，从而实现捕集/分离空气中二氧化碳的目的。2.根据权利要求1所述的中空纤维膜，其制备方法是：配置聚合物纺丝液，采用干
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湿相转化法制备中空纤维膜，采用界面聚合在中空纤维膜上负载活性胺基。3.根据权利要求2所述的中空纤维膜的制备方法，其特征在于，所述聚合物为：聚酰胺、聚亚酰胺、聚醚酰胺、聚丙烯腈、聚砜、聚偏二氟乙烯、聚醚砜中的一种或几种。4.根据权利要求2所述的中空纤维膜的制备方法，其特征在于，所述纺丝液的固含量在12
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30％之间；所述溶剂为：N
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甲基吡咯烷酮、N，N
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二甲基甲酰胺、二甲基亚砜中的一种或两种；所述造孔剂为：聚乙烯吡咯烷酮(K30，K9...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭小耀，郭莎莎，张建新，
申请(专利权)人：沧州市天津工业大学研究院，
类型：发明
国别省市：