一种用于氢气纯化的耐高温苯并咪唑连接聚合物膜及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种用于氢气纯化的耐高温苯并咪唑连接聚合物膜及制备方法和应用；苯并咪唑连接聚合物膜是一种通过苯并咪唑连接的多孔有机聚合物膜，具有相互交联的网状结构；将支撑体浸泡在1,2,4,5

【技术实现步骤摘要】
一种用于氢气纯化的耐高温苯并咪唑连接聚合物膜及制备方法和应用


[0001]本专利技术属于聚合物膜制备
，一种用于氢气纯化的耐高温苯并咪唑连接聚合物膜及制备方法和应用；涉及一种耐高温(150～300℃)的氢气优先渗透苯并咪唑连接聚合物膜，适用于不同温度(25～300℃)和压力下H2/CO2，H2/N2，H2/CH4混合气体的气体分离领域。

技术介绍

[0002]当今能源危机、环境污染问题日益严重。氢气作为一种清洁、高效、安全、可持续的二次能源，可有效缓解环境污染问题，实现绿色能源转型。目前氢气的生产方法有很多，其中最主要的是化石燃料制氢。化石燃料首先进行蒸汽重整或汽化，再经水汽变换反应(WGS)产出氢气、二氧化碳等变换气。通常情况下，WGS生成的变换气温度可达150～300℃，需要进一步对其进行氢气纯化与二氧化碳捕集。传统的氢气分离技术包括深冷分离法、变压吸附法，虽然这些方法在一定程度上已经应用于实际，但属于大型化工设备，易造成环境污染。膜分离技术因其成本低、能耗低、操作简单、占地面积小、环境友好等优势，在氢气分离领域受到广泛关注。
[0003]氢气分离膜有无机膜和有机高分子膜等。无机金属钯膜对氢气具有高选择性，但氢气渗透速率低，对H2S、CO敏感，成本高。沸石膜、金属有机框架膜等多孔膜具有高氢气渗透速率、高选择性的优势，其制作过程复杂，膜易产生缺陷，难以大规模制备。有机高分子膜价格低廉，部分对硫化物稳定，易于放大。聚苯并咪唑(PBI)膜由于聚合物链间的氢键和π
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π相互作用，具有良好的化学和机械稳定性，且玻璃化转变温度很高(460～500℃)，热稳定性好。PBI聚合物骨架刚性大，可加工性差，链堆积紧密，氢气渗透速率低，限制了其在氢气纯化领域的应用。因此开发具有高氢气渗透速率、高选择性、且耐高温的氢气分离膜是氢气纯化的关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的是，提供一种用于氢气纯化的耐高温苯并咪唑连接聚合物膜及制备方法，通过界面聚合方法制备氢气渗透速率高，选择性高的苯并咪唑连接聚合物膜，使膜在不同温度(25～300℃，尤其是高温150～300℃)和压力下具有良好分离性能，实现大规模制备，满足氢气纯化的实际工业条件，减低工业能耗。
[0005]为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种用于氢气纯化的耐高温苯并咪唑连接聚合物膜，苯并咪唑连接聚合物膜是一种通过苯并咪唑连接的多孔有机聚合物，具有相互交联的网状结构；苯并咪唑连接聚合物膜厚度为20～2000nm。
[0007]本专利技术的用于氢气纯化的耐高温苯并咪唑连接聚合物膜制备方法，包括如下步骤：
[0008]1)：将支撑体浸泡在1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐的水溶液中，真空使水溶液充分浸入支撑体，1～50min后吸干支撑体底部溶液，表面蒸发至无明显液滴；
[0009]2)：将步骤1)得到的支撑体浸泡在1,3,5
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苯三甲醛的有机溶液中，支撑体中的1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐与有机溶液中1,3,5
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苯三甲醛在支撑体表面发生聚合反应，反应时间为0.01～12h，得到苯并咪唑连接聚合物基膜；
[0010]3)：将步骤2)制备好的苯并咪唑连接聚合物基膜放入80～300℃烘箱中，热处理1～72h后自然冷却至室温；
[0011]4)：将步骤3)热处理后得到的聚合物膜在含交联剂的溶液中交联1～72h，最终得到苯并咪唑连接聚合物膜。
[0012]所述的步骤1)中支撑体包括Al2O3陶瓷片、陶瓷管、聚砜、聚丙烯腈或不锈钢支撑体中的一种。
[0013]所述的步骤1)中1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐所在的水溶液中1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐的质量百分浓度为0.01～20wt％。
[0014]所述的步骤1)中支撑体浸泡在1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐的水溶液后置于真空烘箱，真空静置1～50min。
[0015]所述的步骤2)中所述的有机溶剂为苯，1,3,5
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苯三甲醛在苯中的质量百分浓度为0.01～4wt％。
[0016]所述的步骤4)中对所述热处理后的聚合物膜进行交联的交联剂为1,3,5
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苯三甲酰氯；溶解交联剂的溶剂包括己烷、四氢呋喃、N,N
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二甲基甲酰胺中的一种；交联剂在溶剂中的质量百分浓度为0.1～30wt％，交联时间为1～72h。
[0017]本专利技术的苯并咪唑连接聚合物气体分离膜材料的应用，苯并咪唑连接聚合物膜应用于H2/CO2，H2/N2，H2/CH4混合气体的分离；在高温150～300℃下对氢气进行纯化。应用于25～300℃的氢气纯化。
[0018]本专利技术的苯并咪唑连接聚合物膜材料用于分离比H2动力学直径0.289nm小，比CO2动力学直径0.33nm大的混合气体。
[0019]所述步骤1)中的1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐所在的水溶液中1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐的质量百分浓度为0.01～20wt％，优选为1.5wt％。
[0020]进一步的，所述步骤1)中支撑体浸入1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐的水溶液后置于真空烘箱静置1～50min，优选为20min。
[0021]所述步骤2)中的有机溶剂为苯。1,3,5
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苯三甲醛所在的有机溶液中1,3,5
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苯三甲醛的质量百分浓度为0.01～4wt％，优选为0.5wt％。
[0022]所述步骤2)中1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐与1,3,5
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苯三甲醛在支撑体表面发生界面聚合的反应时间，优选为2h，从而得到苯并咪唑连接聚合物基膜。
[0023]本专利技术公开的苯并咪唑连接聚合物膜不同于传统聚苯并咪唑(PBI)膜，其结构具有创新性。具体表现为：苯并咪唑连接聚合物是一种通过苯并咪唑连接的新型多孔有机聚合物，具有相互交联的网状结构，如图1所示；通过控制界面聚合的反应时间，可有效调控苯并咪唑连接聚合物膜厚度在20～2000nm范围之内；随着反应时间增长，生成的膜厚度增加。
[0024]一种苯并咪唑连接聚合物膜材料的应用，可应用于不同温度(25～300℃，尤其是高温150～300℃)和压力下的氢气纯化，具体地有H2/CO2，H2/N2，H2/CH4。由此类推，苯并咪唑
连接聚合物膜材料可用于分离比H2(0.289nm)动力学直径小，比CO2(0.33nm)动力学直径大的混合气体。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具有以下优势：
[0026]首先将支撑体浸泡在1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐的水溶液中，抽真空使水溶液充分浸入到支撑体中。接着将支撑体浸入1,3,5
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苯三甲醛的有机溶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于氢气纯化的耐高温苯并咪唑连接聚合物膜，其特征是，苯并咪唑连接聚合物膜是一种通过苯并咪唑连接的多孔有机聚合物，具有相互交联的网状结构；苯并咪唑连接聚合物膜厚度为20～2000nm。2.权利要求1的用于氢气纯化的耐高温苯并咪唑连接聚合物膜制备方法，其特征是，包括如下步骤：1)：将支撑体浸泡在1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐的水溶液中，真空使水溶液充分浸入支撑体，1～50min后吸干支撑体底部溶液，表面蒸发至无明显液滴；2)：将步骤1)得到的支撑体浸泡在1,3,5
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苯三甲醛的有机溶液中，支撑体中的1,2,4,5
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苯四胺四盐酸盐与有机溶液中1,3,5
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苯三甲醛在支撑体表面发生聚合反应，反应时间为0.01～12h，得到苯并咪唑连接聚合物基膜；3)：将步骤2)制备好的苯并咪唑连接聚合物基膜放入80～300℃烘箱中，热处理1～72h后自然冷却至室温；4)：将步骤3)热处理后得到的聚合物膜在含交联剂的溶液中交联1～72h，最终得到苯并咪唑连接聚合物膜。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中支撑体包括Al2O3陶瓷片、陶瓷管、聚砜、聚丙烯腈或不锈钢支撑体中的一种。4.根据权利要求2所述的的制备方法，其特征在于：步骤1)中1,2,4,5
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘新磊，高奥桐，阎雪茹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：