一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜及其制备方法和应用与流程

本发明属于有机功能材料技术领域，具体涉及一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜。

背景技术：

随着能源和环境危机的日益加深，开发高效、低能耗、环境友好的分离技术是解决能源气体净化和温室气体减排的关键。膜分离技术是一种高效、低能耗、低碳、占地面积小、易操作的新型分离技术之一，膜材料是膜分离技术的关键组成部分。膜材料的物理化学性质决定着膜的分离性能的优劣，膜的分离性能决定膜分离技术的效果和运行成本，而膜制备的难易程度和使用寿命的长短则决定膜分离的投资成本。膜按材料可分为高分子膜、无机膜、高分子-无机杂化膜。其中，高分子膜具有分离性能好、成本低、易加工等优点，但其分离性能受“trade-off”效应制约，即渗透性提高时，选择性下降，反之亦然，难以实现渗透性和选择性的同时提高。

近年来，随着膜科学与技术的研究的不断发展，聚电解质膜作为一种新型的气体分离膜的研究引起了研究者们的关注。聚电解质膜是由聚电解质材料制备而来。通常聚电解质膜为亲水性的含可电离的离子的膜材料构成，可以由本身为聚电解质的高分子材料构成，也可由亲水性高分子和盐构成。因此，聚电解质膜具有高亲水性，而且在溶胀的状态下仍具有一定的机械强度，且膜中的离子强烈的水合作用和对待分离无的盐析效应，使得聚电解质膜材料显示出很好的分离性能，有望克服“trade-off”效应制约。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于克服现有膜材料的缺点，提供一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜。

本发明的第二个目的在于提供一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供上述聚电解质膜的应用。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现的：

一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜，该膜由聚醚-聚酰胺嵌段共聚物和甘氨酸钠组成，其中，聚醚-聚酰胺嵌段共聚物与甘氨酸钠的质量比1：（0.01-0.4）。

进一步的，基于甘氨酸钠的聚电解质膜的厚度为115-150μm。

上述基于甘氨酸钠的聚电解质膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）甘氨酸钠用溶剂溶解，得到甘氨酸钠溶液；

（2）聚醚-聚酰胺嵌段共聚物用溶剂溶解，得到聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶液；

（3）将甘氨酸钠溶液与聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶液混均，流延，干燥得到所述基于甘氨酸钠的聚电解质膜。

进一步的，步骤（1）中的溶剂为质量分数为70%的乙醇水溶液，甘氨酸钠和溶剂的质量比为1：（10-100）。

进一步的，步骤（2）中的溶剂为质量分数为70%的乙醇水溶液，聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶液的质量百分比浓度为1-7%。

通过上述方法得到的基于甘氨酸钠的聚电解质膜可用于分离混合气体，进一步的，聚电解质膜用于选择性分离气体中的CO₂，优选的，聚电解质膜用于分离CO₂/CH₄混合气体，其CO₂通量为380-1125barrer（1barrer = 10^-10 cm³ cm/cm² s cmHg），CO₂/CH₄选择性为30-43；用于分离CO₂/N₂混合气体，其CO₂通量为389-1201barrer，CO₂/N₂选择性为50-84。

本发明提供的一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜，其制备过程简单，聚电解质膜内由于含有甘氨酸钠，甘氨酸钠的高吸水特性和盐析效应，提高了聚电解膜气体分离性能，且使用原材料价格低廉、易得，具有潜在的工业化应用前景。

附图说明

图1为实施例1所制得的基于甘氨酸钠的聚电解质膜的扫描电镜断面图；

图2为实施例2所制得的基于甘氨酸钠的聚电解质膜的扫描电镜断面图；

图3为实施例3所制得的基于甘氨酸钠的聚电解质膜的扫描电镜断面图；

图4为实施例4所制得的基于甘氨酸钠的聚电解质膜的扫描电镜断面图；

图5为对比例所制得的聚醚-聚酰胺嵌段共聚物膜的扫描电镜断面图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所用的原料均为市场可得产品，其中聚醚-聚酰胺嵌段共聚物的商品名为Pebax® 1657。

实施例1

制备一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜，该聚电解质膜的厚度为115μm，该聚电解质膜以聚醚-聚酰胺嵌段共聚物为膜基质，在膜基质中加入甘氨酸钠，其中，聚醚-聚酰胺嵌段共聚物与甘氨酸钠的质量比1：0.05，该聚电解质膜的制备方法如下：

步骤1、甘氨酸钠溶液的配制：

在样品管内加入质量分数为70%的乙醇水溶液5g，称取0.05g甘氨酸钠，加入上述样品管内，摇匀，直至甘氨酸钠溶解，得甘氨酸钠溶液；

步骤2、聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶液的配制：

称取1.0g聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶解在19g质量分数为70%的乙醇水溶液中，在80℃搅拌24h，使得聚醚-聚酰胺嵌段共聚物全部溶解，制备得到质量分数为5%聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶液，备用。

步骤3、聚电解质膜的制备：

将步骤1制得的甘氨酸钠溶液加入到步骤2制得的质量分数为5%聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶液中，于室温下搅拌24h，倾倒于洁净的玻璃板上流延，在室温下干燥24h，然后将其放入40℃真空烘箱中24h以去除残留的溶剂，得到厚度为115μm的聚电解质膜。

实施例2

制备一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜，与实施例1聚电解质膜所不同的是：膜的厚度为128μm，其中，聚醚-聚酰胺嵌段共聚物与甘氨酸钠的质量比1：0.1，该聚电解质膜的制备与实施例1的制备方法的不同仅在于：步骤1中，将称取0.05g甘氨酸钠变为称取0.1g甘氨酸钠；步骤3中，最终得到厚度为128μm的聚电解质膜。

实施例3

制备一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜，与实施例1聚电解质膜所不同的是：膜的厚度为143μm，其中，聚醚-聚酰胺嵌段共聚物与甘氨酸钠的质量比1：0.15，该聚电解质膜的制备与实施例1的制备方法的不同仅在于：步骤1中，将称取0.05g甘氨酸钠变为称取0.15g甘氨酸钠；步骤3中，最终得到厚度为143μm的聚电解质膜。

实施例4

制备一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜，与实施例1聚电解质膜所不同的是：膜的厚度为150μm，其中，聚醚-聚酰胺嵌段共聚物与甘氨酸钠的质量比1：0.2，该聚电解质膜的制备与实施例1的制备方法的不同仅在于：步骤1中，将称取0.05g甘氨酸钠变为称取0.2g甘氨酸钠；步骤3中，最终得到厚度为150μm的聚电解质膜。

实施例5

制备一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜，与实施例1聚电解质膜所不同的是：膜的厚度为146μm，其中，聚醚-聚酰胺嵌段共聚物与甘氨酸钠的质量比1：0.3，该聚电解质膜的制备与实施例1的制备方法的不同仅在于：步骤1中，将称取0.05g甘氨酸钠变为称取0.3g甘氨酸钠；步骤2中，将1.0g聚醚-聚酰胺嵌段共聚物改为溶解在14g质量分数为70%的乙醇水溶液中，在80℃搅拌时间改为36h，得到质量分数为6.7%聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶液；步骤3中，将甘氨酸钠溶液加入到聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶液中，室温下搅拌时间改为36h，最终得到厚度为146μm的聚电解质膜。

实施例6

制备一种基于甘氨酸钠的聚电解质膜，与实施例1聚电解质膜所不同的是：膜的厚度为140μm，其中，聚醚-聚酰胺嵌段共聚物与甘氨酸钠的质量比1：0.4，该聚电解质膜的制备与实施例1的制备方法的不同仅在于：步骤1中，将称取0.05g甘氨酸钠变为称取0.4g甘氨酸钠；步骤2中，将1.0g聚醚-聚酰胺嵌段共聚物改为溶解在49g质量分数为70%的乙醇水溶液中，在80℃搅拌时间改为48h，得到质量分数为2%聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶液；步骤3中，将甘氨酸钠溶液加入到聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶液中，室温下搅拌时间改为48h，最终得到厚度为140μm的聚电解质膜。

对比例

制备聚醚-聚酰胺嵌段共聚物膜，其膜厚为100μm；其制备方法是：称取1.0g聚醚-聚酰胺嵌段共聚物溶解在20g质量分数为70%的乙醇水溶液中，在80℃搅拌24h后，倾倒于洁净的玻璃板上流延，在室温下干燥24h，然后将其放入40℃真空烘箱中24h以去除残留的溶剂，得到厚度为100μm的聚电解质膜。

以实施例得到的聚电解质膜和对比例得到的聚醚-聚酰胺嵌段共聚物膜用于混合气体的分离测试，试验在室温、2bar条件下进行，得到的试验结果见下表：

由上述的实施例和对比例进行比较，可以看出本发明的聚电解质膜的分离性能明显的高于对比例中的不含甘氨酸钠的聚醚-聚酰胺嵌段共聚物膜的性能，主要是甘氨酸钠的高吸水特性和盐析效应提高了膜的渗透性和选择性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。