一种利用双重选择机制实现N2/CH4分离的膜及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种利用双重选择机制实现N2/CH4分离膜及制备方法。将九水合硝酸铬、有机酸、乙酰丙酮、乙酸乙酯和丙酮混合溶解，反应得到墨绿色溶液，将墨绿色溶液倾倒入足量乙醚中析出，将该沉淀产物置于真空烘箱中干燥得到铬簇粉末；将MXene胶体溶液作冻干处理得到MXene片层材料；去离子水与铬簇粉末混合形成溶液A；将MXene片层材料加入溶液A，得到混合液B；用真空抽滤的方法将混合液B沉积在尼龙滤纸上形成气体分离膜，并置于真空烘箱中使铬簇活化；制备出MXene片层间富含Cr簇的气体分离膜Cr

【技术实现步骤摘要】
of SSZ
‑
13membranes with enhanced fluxes using asymmetric alumina supports for N2/CH
4 and CO2/CH
4 separations[J].Separation and Purification Technology,2019,209:946
‑
954.
[0010][5]Ding L,Wei Y Y,Li L B,Zhang T,Wang H H,Xue J,Ding L X,Wang S Q,Caro J,Gogotsi Y,MXene molecular sieving membranes for highly efficient gas separation[J].Nature Communications,2018,9,155.

技术实现思路

[0011]本专利技术涉及一种利用双重选择机制实现N2/CH4高效分离的Cr
‑
MXene膜及制备方法。该方法制备工艺相对简单，制备所得气体分离膜性能稳定，可以有效提高N2/CH4分离性能。
[0012]本专利技术将以过渡金属元素铬(Cr)制备出铬簇材料引入片层材料MXene间，制备出MXene片层间富含Cr簇的气体分离膜，称为Cr
‑
MXene膜。在Cr
‑
MXene膜中，MXene材料中存在的氟可与铬簇上的氢形成氢键，可确保铬簇被牢固地固定在MXene片层间。该方法提升了MXene片层间距，为气体分子提供宽阔的传输通道。在此基础上，铬簇材料经过活化处理后，会暴露出可与N2分子产生特异性作用的不饱和配位金属位点，从而实现对N2分子的优先吸附并阻碍CH4分子进入膜孔道，实现N2与CH4的高效分离。值得指出的是，利用反应选择性实现膜对气体的分离虽已有相关报道，但主要依靠碱性基团对含酸性气体的体系，如CO2、SO2和H2S混合气等体系实现分离。本专利技术将不饱和配位金属位点引入膜中与N2分子产生特异性作用，制备出利用反应选择性实现N2/CH4分离的Cr
‑
MXene膜在先前的工作中未曾报道。相较聚合物膜、分子筛膜以及纯MXene膜，本专利技术中Cr
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MXene膜的N2渗透率和N2/CH4分离因子可分别达到365.8GPU和12.3，实现了渗透选择性能的显著提升。
[0013]本专利技术通过以下技术方案得以实现：
[0014]一种利用双重选择机制实现N2/CH4分离的膜；将以过渡金属元素Cr制备出铬簇材料引入片层材料MXene间，制备出MXene片层间富含Cr簇的气体分离膜Cr
‑
MXene。
[0015]本专利技术的利用双重选择机制实现N2/CH4分离的膜的制备方法；包括以下步骤：
[0016]1)将九水合硝酸铬、有机酸、乙酰丙酮、乙酸乙酯和丙酮混合溶解，反应得到墨绿色溶液，后将墨绿色溶液倾倒入足量乙醚中析出，经过滤处理得到墨绿色絮状沉淀，将该沉淀产物置于真空烘箱中干燥得到铬簇粉末；
[0017]2)将商用MXene胶体溶液作冻干处理，得到MXene片层材料；
[0018]3)将去离子水与步骤1)中所得到的铬簇粉末混合，形成溶液A；取步骤2)中得到的MXene片层材料加入溶液A，得到混合液B；
[0019]4)用真空抽滤的方法将混合液B沉积在尼龙滤纸上形成气体分离膜，并置于真空烘箱中使铬簇活化。
[0020]所述的步骤1)中九水合硝酸铬、有机酸、乙酰丙酮、乙酸乙酯和丙酮的质量比为：1:(0.6
‑
1):(0.1
‑
0.3):(1
‑
5):(10
‑
12.5)。
[0021]所述的步骤1)中反应温度为60
‑
80℃，反应时间为2
‑
8h。
[0022]所述的步骤1)中所得墨绿色絮状沉淀置于60
‑
80℃真空烘箱中干燥。
[0023]所述的步骤3)溶液A中去离子水和铬簇混合质量比为200:(0.005
‑
0.015)；在溶液
A中加入MXene片层材料后，混合液B中去离子水、铬簇和MXene的质量比为200:(0.005
‑
0.015):(0.0025
‑
0.01)。
[0024]所述的步骤4)所制膜在真空烘箱中的活化温度为130
‑
170℃，活化时间为6
‑
10h。
[0025]利用上述步骤制备出的气体分离膜对混合气(组成：N2/CH4＝10:90vol％)进行渗透选择性能测试。结果显示该气体分离膜的N2渗透速率为112.9
‑
365.8GPU，N2/CH4分离因子为5.8
‑
12.3。
[0026]本专利技术具有以下优点：利用简单的抽滤法将铬簇引入到MXene片层材料间制备出分离膜，经活化后，该膜的孔道尺寸不仅得以扩大，而且拥有了优先结合N2分子的能力。相较传统单纯利用扩散选择机制实现分离的MXene膜，本专利技术中所制膜兼具扩散选择机制和反应选择机制，这种具有双重选择机制的膜可实现对N2/CH4体系的高效分离。
附图说明
[0027]图1为在片层间引入铬簇并经活化后的MXene气体分离膜断面形貌电镜图。
具体实施方式
[0028]实施例1：
[0029]分别取九水合硝酸铬8g、有机酸6.4g、乙酰丙酮1.6g、乙酸乙酯40g和丙酮100g共混形成溶液，在80℃下反应4h得到墨绿色溶液，后将墨绿色溶液倾倒入足量乙醚中析出墨绿色絮状沉淀，经过滤处理得到墨绿色沉淀产物，将该沉淀产物置于60℃真空烘箱中干燥得到铬簇粉末。将商用MXene胶体溶液作冻干处理，得到MXene片层材料。
[0030]取去离子水200g，与0.005g铬簇粉末混合，形成均相溶液A；再取0.005g MXene片层材料加入溶液A，得到混合液B。
[0031]用真空抽滤的方法将混合液B中的MXene和铬簇沉积在尼龙滤纸上形成气体分离膜，并将所制膜置于150℃真空烘箱中8h使铬簇活化。然后将分离膜置于混合气(N2/CH4＝10:90vol％)体系下进行测试，测试结果请见表2。
[0032]实施例2：
[0033]分别取九水合硝酸铬8g、有机酸7.2g、乙酰丙酮1.2g、乙酸乙酯24g和丙酮95g共混形成溶液，在70℃下反应6h得到墨绿色溶液，后将墨绿色溶液倾倒入足量乙醚中析出墨绿色絮状沉淀，经过滤处理得到墨绿色沉淀产物，将该沉淀产物置于70℃真空烘箱中干燥得到铬簇粉末。将商用MXene胶体溶液作冻干处理，得到MXene片层材料。
[0034]取去离子水200g，与0.012g铬簇粉末混合，形成均相溶液A；再取0.0045g MXene片层材料加入溶液A，得到混合液B。
[0035]用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用双重选择机制实现N2/CH4分离的膜；其特征是，将以过渡金属元素Cr制备出铬簇材料引入片层材料MXene间，制备出MXene片层间富含Cr簇的气体分离膜Cr
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MXene。2.权利要求1的利用双重选择机制实现N2/CH4分离的膜的制备方法；其特征是包括以下步骤：1)将九水合硝酸铬、有机酸、乙酰丙酮、乙酸乙酯和丙酮混合溶解，反应得到墨绿色溶液，后将墨绿色溶液倾倒入足量乙醚中析出，经过滤处理得到墨绿色絮状沉淀，将该沉淀产物置于真空烘箱中干燥得到铬簇粉末；2)将商用MXene胶体溶液作冻干处理，得到MXene片层材料；3)将去离子水与步骤1)中所得到的铬簇粉末混合，形成溶液A；取步骤2)中得到的MXene片层材料加入溶液A，得到混合液B；4)用真空抽滤的方法将混合液B沉积在尼龙滤纸上形成气体分离膜，并置于真空烘箱中使铬簇活化。3.如权利要求2所述的方法，其特征是，步骤1)中九水合硝酸铬、有机酸、乙酰丙酮、乙酸乙酯和丙酮的质量比为：1:(0.6
‑
1):(0.1<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志，邢广宇，从深震，原野，李庆华，王纪孝，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：