一种氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜及其制备方法和应用，属于气体分离膜技术领域。其中，具体公开了一种氟化铈多孔纳米片，由氟

【技术实现步骤摘要】
一种氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及气体分离膜
，更具体的说是涉及一种氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]大部分烟气脱硫采用湿法脱硫工艺，可以使烟气温度降低到45
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55℃，直接经烟囱进入大气环境，遇冷凝结成微小液滴，产生白色烟羽，俗称大白烟。而白色烟羽会造成严重的环境污染，为消除烟羽可实施烟气脱湿工艺。目前，烟气脱湿工艺包括烟气直接加热技术、烟气冷凝技术以及冷凝
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再热技术，均能达到消除烟羽的目的。烟气直接加热技术，可利用火电厂中热源实现烟气加热，但耗能相对较高，会使电厂热经济性降低；烟气冷凝技术，其冷源需建造机械冷却塔，且冷却温度受到环境温度和换热温差的限制；烟气冷凝再热技术，通过冷凝调节烟气的绝对湿度来降低烟气的加热温度，其系统相对复杂。
[0003]而膜技术是解决烟气脱湿的一种节能有效方案，因为它具有高能效(无需相变即可实现分离)、可靠性(无移动部件)和占地面积小，可以从烟道气流中选择性的去除水蒸气，并且无需额外加热即可生产高纯度水。而高分子膜材料目前仍然是气体膜法脱湿领域使用的主要材料，但单一的高分子材料抗化学腐蚀性差、难以实现同时提高气体渗透性和选择性；另一方面，无机膜材料虽然强度高，耐酸碱腐蚀性好，但加工困难。
[0004]对于质子交换膜燃料电池系统，外部加湿法是质子交换膜燃料电池的增湿技术中比较常见的方法。膜加湿技术作为主要的外增湿方式是目前阴极加湿常采用的技术。它具有增湿量大、稳定、结构简单、易于操作的特点。膜加湿技术的核心是加湿膜，燃料电池用加湿膜要求良好的水通过性和阻气性，故Nafion膜等加湿膜对膜增湿器十分适用，然而Nafion膜的价格较为昂贵，寻找成本低廉的替代膜是质子交换膜燃料电池技术中的一大重点。
[0005]因此，提供一种氟化铈多孔纳米片调节混合基质膜及其制备方法和应用，以促进高分子膜在脱湿与加湿方面的应用是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜及其制备方法和应用。本专利技术以氟化铈多孔纳米片填充高分子基质膜，应用于气体脱湿/加湿，制备成功的膜稳定性好，优先渗透水蒸汽，并对水蒸汽有较高的分离性能。
[0007]本专利技术提供了一种氟化铈多孔纳米片，由氟
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铈单原子层以及层间交替堆积的乙酸根排列而成，所述氟
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铈单原子层由氟原子和铈原子以六元环蜂窝状形式交替堆积排布，所述氟化铈多孔纳米片的平均孔径为0.1～10nm。
[0008]上述优选技术方案的有益效果是，本专利技术中氟
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铈单原子层中氟原子和铈原子与石墨烯中碳原子的排布方式类似，氟化铈多孔纳米片结构与氧化石墨烯结构类似，可以筛
分不同动力学直径的气体，从而提升气体选择性，并且由于乙酸根的存在，对水分子具有良好的吸附性。由于氟化铈多孔纳米片独特的多孔结构，形成气体快速传输通道，从而提升气体渗透性。
[0009]本专利技术还提供了一种如上述氟化铈多孔纳米片的制备方法，具体为：将乙酸铈与氟化钠水溶液混合，在氮气气氛中进行沉淀反应，得到氟化铈纳米片；所述氟化钠与所述乙酸铈的质量比例为(1～10)：1；氟化钠水溶液浓度为5～100mg/mL；所述沉淀反应的温度为20℃～50℃。
[0010]本专利技术还提供了一种氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜，由上述氟化铈多孔纳米片和高分子基质组成，所述氟化铈多孔纳米片和所述高分子基质的质量比为(0.005～0.1)：1。
[0011]上述优选技术方案的有益效果是，本专利技术采用的高分子基质具有亲水性，以及出色的机械稳定性，既满足了脱湿/加湿膜实际所需的机械强度，也保证了除湿/加湿膜具有较高的水蒸气渗透性；而通过氟化铈多孔纳米片调节，由于氟化铈多孔纳米片含有羧基官能团提升了高分子的亲水性，从而提高了水蒸气的溶解性，以及由于氟化铈多孔纳米片的多孔性为气体提供了额外的扩散通道。
[0012]优选的，所述氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜的膜厚度为80～200μm。
[0013]上述优选技术方案的有益效果是，本专利技术限定的膜厚氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜同时具有良好的机械性能和气体渗透性能。
[0014]进一步优选的，所述氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜为平板膜、中空纤维膜或管式膜。
[0015]本专利技术还提供了一种如上述氟化铈多孔纳米片调节混合基质膜的制备方法，具体包括如下步骤：
[0016](1)将高分子基质溶解于溶剂中，制备得到高分子基质溶液；
[0017](2)向上述高分子基质溶液中加入氟化铈多孔纳米片，加热搅拌，脱泡，制膜，脱除膜中残留溶剂，得到所述氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜。
[0018]优选的，步骤(1)中所述高分子基质为聚醚嵌段聚酰胺(PEBAX1074或PEBAX2533)、全氟磺酸树脂、磺化聚醚醚酮、磺化聚砜、磺化聚醚砜、磺化聚苯醚砜中的任意一种或两种混合；
[0019]所述高分子基质溶液的质量浓度为5％～20％。
[0020]优选的，所述溶剂为正丁醇、N
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甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺中的一种或多种混合。
[0021]优选的，步骤(2)所述加热搅拌的温度为80～120℃，转速为200～500rpm；
[0022]所述脱泡的时间为2～12h；
[0023]所述制膜采用溶液浇铸法。
[0024]上述优选技术方案的有益效果是，由于氟化铈多孔纳米片具有良好的气体吸附性和选择性，将其与聚合物结合，能够改善高分子
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无机混合基质膜的实际使用性能。
[0025]本专利技术还提供了一种如上述氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜在气体脱湿与加湿中的应用。
[0026]上述优选技术方案的有益效果是，本专利技术公开的氟化铈多孔纳米片填充的混合基
质膜，其中由于氟化铈多孔纳米片具有良好的水蒸气吸附性，以及额外的气体扩散通道，既提升了高分子
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无机混合基质膜的水蒸气渗透性，也提升了其气体选择性，具体的在30℃条件下测试对于水蒸气/氮气分离性能，其水蒸汽渗透系数(6.69
×
104～3.19
×
105)Barrer以及水蒸汽/氮气分离系数(0.64
×
104～1.46
×
105)。
[0027]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术提供了一种氟化铈多孔纳米片调节混合基质膜及其制备方法和应用，具有如下有益效果：
[0028](1)本专利技术提供了一种氟化铈多孔纳米片，化合物结构与氧化石墨烯结构类似，制备方法简单、绿色环保，用于调节混合基质膜，可以提高气体吸附性，且为气体提供额外的扩散通道；
[0029](2)本专利技术将氟化铈多孔纳米片填入高分子基质中合成混合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氟化铈多孔纳米片，由氟
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铈单原子层以及层间交替堆积的乙酸根排列而成，其特征在于，所述氟
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铈单原子层由氟原子和铈原子以六元环蜂窝状形式交替堆积排布，所述氟化铈多孔纳米片的平均孔径为0.1～10nm。2.一种如权利要求1所述氟化铈多孔纳米片的制备方法，其特征在于，具体为：将乙酸铈与氟化钠水溶液混合，在氮气气氛中进行沉淀反应，得到氟化铈纳米片，所述氟化钠与所述乙酸铈的质量比例为(1～10)：1；所述氟化钠水溶液浓度为5～100mg/mL；所述沉淀反应的温度为20℃～50℃。3.一种氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜，其特征在于，由权利要求1或2所述氟化铈多孔纳米片和高分子基质组成，所述氟化铈多孔纳米片和所述高分子基质的质量比为(0.005～0.1)：1。4.根据权利要求3所述氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜，其特征在于，所述氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜的膜厚度为80～200μm。5.根据权利要求3或4所述氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜，其特征在于，所述氟化铈多孔纳米片调节的混合基质膜为平板膜、中空纤维膜或管式膜。6.一种如权利要求3～5任...

【专利技术属性】
技术研发人员：张玉忠，王丰恺，辛清萍，李泓，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：