一種生物質(zhì)基炭膜的制備方法
【專利說明】
[0001 ] 技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種炭膜的制備方法，特別涉一種生物質(zhì)基炭膜的制備方法，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。
[0002]【背景技術(shù)】:
近三十年來，炭膜作為一種新型的膜分離材料，引起了廣大科研人員的高度重視，這主要由于炭膜具有:(I)熱穩(wěn)定性好。炭膜在有氧的情況下可在高達(dá)400°C的溫度下應(yīng)用，在無氧的情況下能經(jīng)受800°C以上的高溫；(2)化學(xué)穩(wěn)定性好。可以在有機蒸汽或溶劑、非氧化性酸或堿存在的環(huán)境下應(yīng)用；(3)孔徑可控。相同原材料可通過選擇不同的條件制備出用于不同分離目的的炭膜；(4)炭膜的使用壽命長并可再生；(5)能耗低。與傳統(tǒng)的分離過程如精餾、吸附相比，炭膜分離不需要發(fā)生相變化，而且分離過程在常溫下進行，無須對分離物料加熱。
[0003]關(guān)于炭膜的制備技術(shù)已有許多相關(guān)報道。Hatori用相轉(zhuǎn)化法在平整的玻璃板上流延成膜，經(jīng)干燥、炭化后制得非支撐平板炭膜。在加工和操作中難度大(Carbon，1992，30:303-304) WS5089135公開了一種用中空纖維膜炭化制備中空纖維炭膜，盡管這種炭膜具有很好的分離性能，然而這些膜前驅(qū)體成本太高，使用有毒的有機溶劑制備膜，很難進行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，這很大程度地限制了炭膜的工業(yè)化進程。
[0004]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足而提供一種成本低、生產(chǎn)工藝簡單、綠色環(huán)保、易于工業(yè)化的高強度分離炭膜的制備方法，本發(fā)明生物質(zhì)基炭膜的制備方法解決了炭膜制備成本較高、制備過程有毒溶劑污染、機械強度差、工藝復(fù)雜等問題。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過如下措施來達(dá)到:一種生物質(zhì)基炭膜的制備方法，其特征在于其采用淀粉、纖維素為原料，制備改性淀粉、改性纖維素共混高分子膜，通過改變改性淀粉、改性纖維素的取代度、加入量以及炭化條件，制備具有不同平均孔徑和孔徑分布的用于滿足不同分離目的的機械強度高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、分離性能好的炭膜，其包括如下具體步驟:
(1)先采用淀粉、纖維素做原料，通過改性反應(yīng)制備羧甲基淀粉和羧甲基纖維素或淀粉乙酸酯和纖維素乙酸酯，然后將其溶解在水中制備高分子溶液；
(2)將羧甲基淀粉和羧甲基纖維素或淀粉乙酸酯和纖維素乙酸酯共混配置成高分子水溶液，再用刮膜器制成質(zhì)地均勻、平直且表面光滑的原膜；
(3)在室溫下對原膜進行干燥處理;干燥時必須保證原膜中水分均勻揮發(fā)掉，干燥時間為10?30小時；
(4)將干燥后的原膜放入炭化爐中，在惰性氣體保護下進行炭化處理后便制備出所需的分離炭膜。
[0006]為了進一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的步驟(I)中的淀粉為玉米淀粉、土豆淀粉、木薯淀粉、紅薯淀粉中的一種，纖維素來源于棉、麻、麥桿、稻草、甘蔗渣。
[0007]為了進一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的步驟(I)中的改性反應(yīng)是醚化反應(yīng)或酯化反應(yīng)。
[0008]為了進一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的步驟(2)中的羧甲基淀粉或淀粉乙酸酯的加入量為共混物總固體質(zhì)量的30%?80% ；羧甲基纖維素或纖維素乙酸酯的加入量為共混物總固體質(zhì)量的20%?70%。
[0009]為了進一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的步驟(3)中的干燥時間為10~30小時。
[0010]為了進一步實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所述的步驟(4)中的惰性氣體為氮氣、氬氣，升溫速率為I?5°C/min，炭化終溫為300?800°C，并在此溫度下恒溫30?240 min。
[0011]本發(fā)明同已有技術(shù)相比可產(chǎn)生如下積極效果:
(I)本發(fā)明以淀粉、纖維素為原料，為提高殘?zhí)苛坎捎悯セ?、醚化方法制成改性淀粉、改性纖維素，用改性淀粉、改性纖維素為前驅(qū)體材料，制備的炭膜不僅生產(chǎn)成本低，而且還具有較高的孔隙率和通量，孔隙結(jié)構(gòu)均勻、機械強度較高。
[0012](2)炭膜的平均孔徑和孔徑分布易于控制。通過改性淀粉和改性纖維素的比例、加入量以及炭化條件可制備出用于不同分離目的的炭膜。
[0013](3)制備的炭膜孔隙率高，機械強度大，而且表面光滑無缺。
[0014]【具體實施方式】:下面對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細(xì)說明:
實施例1
(I)先將20g玉米淀粉投入200mL異丙醇中，加入NaOH 4g，加熱至75°C，攪拌半小時后，緩慢加入氯乙酸鈉Sg，反應(yīng)5小時，過濾，干燥，制成羧甲基淀粉。將20g來源于棉的纖維素投入200mL異丙醇中，加入NaOH 4g，加熱至75°C，攪拌半小時后，緩慢加入氯乙酸鈉8g，反應(yīng)5小時，過濾，干燥，制成羧甲基纖維素。
[0015](2)將5g羧甲基淀粉、5g羧甲基纖維素共混在100g水中，制備高分子水溶液，再用刮膜器制成質(zhì)地均勻、平直且表面光滑的原膜；
(3)在室溫下對原膜進行干燥處理;干燥時必須保證原膜中水分均勻揮發(fā)掉，否則原膜變形后對其性能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，干燥時間為15小時；
(4)將干燥后的原膜放入炭化爐中，在氬氣保護下，以:TC/min的升溫速率升至400°C并恒溫60 min，待其冷卻到100°C以下便可取出，得到所需的分離炭膜。
[0016]經(jīng)過測試，炭膜的平均孔徑為120nm，孔隙率為58%，在20 °C，0.2 MpaTN2滲透通量為8.862 X ICT5Cm3.cm/(cm2.s.cmHg)。
[0017]實施例2:
(I)先將20g土豆淀粉投入400mL DMF中，加入吡啶lg，加熱至75°C，攪拌半小時后，緩慢滴加乙酸酐2g，反應(yīng)5小時，過濾，干燥，制成淀粉乙酸酯。將20g來源于麥桿的纖維素投入400mL DMAc中，加入吡啶Ig，加熱至75°C，攪拌半小時后，緩慢滴加乙酸酐3g，反應(yīng)5小時，過濾，干燥，制成纖維素乙酸酯。
[0018](2)將3g淀粉乙酸酯、7g纖維素乙酸酯共混在500g水中，制備高分子水溶液，再用刮膜器制成質(zhì)地均勻、平直且表面光滑的原膜；
(3)在室溫下對原膜進行干燥處理;干燥時必須保證原膜中水分均勻揮發(fā)掉，否則原膜變形后對其性能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，干燥時間為10小時；
(4)將干燥后的原膜放入炭化爐中，在高純氮氣保護下，以1°C/min的升溫速率升至300°C并恒溫240 min，待其冷卻到100°C以下便可取出，得到所需的分離炭膜。
[0019]經(jīng)過測試，炭膜的平均孔徑為lOOnm，孔隙率為62%，在20°C，0.2Mpa下吣滲透通量為7.256 X ICT5Cm3.cm/(cm2.s.cmHg)。
[0020]實施例3
(I)先將20g木薯淀粉投入200mL水中，加入NaOH 2g，加熱至75°C，攪拌半小時后，緩慢滴加乙酸酐2g，反應(yīng)5小時，過濾，干燥，制成淀粉乙酸酯。將20g來源于甘蔗渣的纖維素投入400mL水中，加入NaOH 2g，加熱至75°C，攪拌半小時后，緩慢滴加乙酸酐3g，反應(yīng)5小時，過濾，干燥，制成纖維素乙酸酯。
[0021](2)將Sg淀粉乙酸酯、2g纖維素乙酸酯共混在100g水中，制備高分子水溶液，再用刮膜器制成質(zhì)地均勻、平直且表面光滑的原膜；
(3)在室溫下對原膜進行干燥處理;干燥時必須保證原膜中水分均勻揮發(fā)掉，否則原膜變形后對其性能將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，干燥時間為30小時；
(4)將干燥后的原膜放入炭化爐中，在高純氮氣保護下，以5°C/min的升溫速率升至800°C并恒溫30 min，待其冷卻到100°C以下便可取出，得到所需的分離炭膜。
[0022]經(jīng)過測試，炭膜的平均孔徑為100 nm，孔隙率為68%，在20°C，0.2Mpa下犯滲透通量為I.732X 10—4Cm3.cm/(cm2.s.cm Hg)。
[0023]以上的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種生物質(zhì)基炭膜的制備方法，其特征在于其采用淀粉、纖維素為原料，制備改性淀粉、改性纖維素共混高分子膜，通過改變改性淀粉、改性纖維素的取代度、加入量以及炭化條件，制備具有不同平均孔徑和孔徑分布的用于滿足不同分離目的的機械強度高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、分離性能好的炭膜，其包括如下具體步驟: (1)先采用淀粉、纖維素做原料，通過改性反應(yīng)制備羧甲基淀粉和羧甲基纖維素或淀粉乙酸酯和纖維素乙酸酯，然后將其溶解在水中制備高分子溶液； (2)將羧甲基淀粉和羧甲基纖維素或淀粉乙酸酯和纖維素乙酸酯共混配置成高分子水溶液，再用刮膜器制成質(zhì)地均勻、平直且表面光滑的原膜； (3)在室溫下對原膜進行干燥處理;干燥時必須保證原膜中水分均勻揮發(fā)掉，干燥時間為10?30小時； (4)將干燥后的原膜放入炭化爐中，在惰性氣體保護下進行炭化處理后便制備出所需的分離炭膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)基炭膜的制備方法，其特征在于所述的步驟(I)中的淀粉為玉米淀粉、土豆淀粉、木薯淀粉、紅薯淀粉中的一種，纖維素來源于棉、麻、麥桿、稻草、甘蔗渣。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)基炭膜的制備方法，其特征在于所述的步驟(I)中的改性反應(yīng)是醚化反應(yīng)或酯化反應(yīng)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)基炭膜的制備方法，其特征在于所述的步驟(2)中的羧甲基淀粉或淀粉乙酸酯的加入量為共混物總固體質(zhì)量的30%?80%;羧甲基纖維素或纖維素乙酸酯的加入量為共混物總固體質(zhì)量的20%?70%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)基炭膜的制備方法，其特征在于所述的步驟(3)中的干燥時間為10?30小時。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種生物質(zhì)基炭膜的制備方法，其特征在于所述的步驟(4)中的惰性氣體為氮氣、氬氣，升溫速率為I?5 °C/min，炭化終溫為300?800 V，并在此溫度下恒溫30?240 min。
【專利摘要】本發(fā)明一種生物質(zhì)基炭膜的制備方法，其特征在于其采用淀粉、纖維素為原料，制備改性淀粉、改性纖維素共混高分子膜，通過改變改性淀粉、改性纖維素的取代度、加入量以及炭化條件，制備具有不同平均孔徑和孔徑分布的用于滿足不同分離目的的機械強度高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、分離性能好的炭膜，本發(fā)明制備成本低、生產(chǎn)工藝簡單、易于工業(yè)化、無污染的分離炭膜的制備方法，可用于制備不同分離目的的炭膜。
【IPC分類】B01D69/02, B01D71/02, B01D67/00
【公開號】CN105597560
【申請?zhí)枴緾N201510979640
【發(fā)明人】劉詩麗, 邢國秀, 姜華, 蒙延峰
【申請人】魯東大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年12月24日