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CN108097058B - 一种二氧化碳选择性渗透薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种二氧化碳选择性渗透薄膜及其制备方法和应用 Download PDF

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CN108097058B
CN108097058B CN201711478248.9A CN201711478248A CN108097058B CN 108097058 B CN108097058 B CN 108097058B CN 201711478248 A CN201711478248 A CN 201711478248A CN 108097058 B CN108097058 B CN 108097058B
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Beijing University of Chemical Technology
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Abstract

本发明提供了一种二氧化碳选择性渗透薄膜，包括基底和覆盖在所述基底单面的二氧化碳气体分离层；所述二氧化碳气体分离层包括垂直于基底的碳酸根插层的水滑石纳米片和填充在所述碳酸根插层的水滑石纳米片间的聚合物；所述碳酸根插层的水滑石纳米片的厚度为20～120nm。本发明提供的二氧化碳选择性渗透薄膜对二氧化碳同时具有高选择性和渗透性。本发明还提供了所述二氧化碳选择性渗透薄膜的制备方法及其在二氧化碳分离领域中的应用。将本发明提供的二氧化碳选择性渗透薄膜用于二氧化碳分离时，对二氧化碳同时具有较好的选择性和渗透性。

Description

一种二氧化碳选择性渗透薄膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于膜分离技术领域，尤其涉及一种二氧化碳选择性渗透薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
二氧化碳是引起温室效应的主要气体之一。目前，分离二氧化碳的方法主要有膜分离法，膜分离法是在压力驱动下，借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在薄膜内溶解-扩散上的差异，即渗透速率差来对二氧化碳进行分离。
常用的二氧化碳分离膜有聚二甲基硅氧烷膜、聚4-甲基-1-戊烯膜、聚醚砜膜和聚酰亚胺膜等。然而，目前常用的二氧化碳分离膜受“Robeson上限”的影响，使在分离过程中，二氧化碳无法同时具有高的选择性和渗透性，限制了二氧化碳的分离效果。
发明内容
本发明提供了一种二氧化碳选择性渗透薄膜，本发明提供的二氧化碳选择性渗透薄膜对二氧化碳同时具有高选择性和渗透性。
本发明提供了一种二氧化碳选择性渗透薄膜，包括基底和覆盖在所述基底单面的二氧化碳气体分离层；所述二氧化碳气体分离层包括垂直于基底的碳酸根插层的水滑石纳米片和填充在所述碳酸根插层的水滑石纳米片间的聚合物；所述碳酸根插层的水滑石纳米片的厚度为20～120nm。
优选的，所述二氧化碳气体分离层的厚度为4000～5000nm。
优选的，所述聚合物为聚丙烯酸树脂或聚乙烯亚胺。
优选的，所述基底的材质为聚四氟乙烯或者聚砜。
本发明还提供了所述二氧化碳选择性渗透薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水铝石凝胶涂覆在基底上，得到水铝石涂覆的基底；
(2)将所述步骤(1)得到的水铝石涂覆的基底、二价金属离子、尿素和去离子水混合，得到混合料液；所述二价金属离子包括Mg2+、Zn2+或Ni2+；
(3)将所述步骤(2)得到的混合溶液进行晶化反应，得到初级薄膜，所述初级薄膜包括基底和垂直于基底生长的碳酸根插层的水滑石纳米片；所述晶化反应的温度为70～90℃，所述晶化反应的时间为20～30h；
(4)将聚合物旋涂于初级薄膜生长有碳酸根插层的水滑石纳米片的表面，得到二氧化碳选择性渗透薄膜。
优选的，所述步骤(1)中涂覆的方式包括：将所述基底垂直浸没于水铝石凝胶中、然后取出烘干；依次重复所述浸没和烘干；所述重复的次数为30～50次。
优选的，所述步骤(2)混合溶液中二价金属离子的浓度为0.2～0.6mol/L，尿素的浓度为0.5～1.5mol/L。
优选的，所述步骤(4)中聚合物以聚合物分散液的形式提供，所述聚合物分散液的质量浓度为0.1～0.3％。
本发明还提供了所述二氧化碳选择性渗透薄膜或由上述制备方法制备得到的二氧化碳选择性渗透薄膜在二氧化碳分离中的应用。
本发明提供了一种二氧化碳选择性渗透薄膜，包括基底和覆盖在所述基底单面的二氧化碳气体分离层；所述二氧化碳气体分离层包括垂直于基底的碳酸根插层的水滑石纳米片和填充在所述碳酸根插层的水滑石纳米片间的聚合物；所述碳酸根插层的水滑石纳米片的厚度为20～120nm。本发明提供的薄膜中，聚合物能够将所有的气体分子阻挡在薄膜的外侧，而水滑石纳米片含有碳酸根阴离子，碳酸根阴离子与二氧化碳在水存在的条件下能够发生化学反应，生成碳酸氢根，使薄膜外侧的二氧化碳气体能够通过水滑石片层进入薄膜内部；同时垂直于基底的水滑石纳米片结构可作为二氧化碳传递的通道，从而提高了基底两侧二氧化碳的渗透压，使得薄膜对二氧化碳气体具有高度的选择性和渗透性。实施例的结果表明，本发明提供的二氧化碳选择性渗透薄膜能够选择性地透过CO2，对CO2和N2的选择透过性实验表明，本发明提供的二氧化碳选择性渗透薄膜对CO2和N2的分离系数可达1.65923。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的碳酸根插层的水滑石纳米片的扫描电子显微镜图；
图2为本发明实施例1制备得到的二氧化碳选择性渗透薄膜的X射线衍射图；
图3为本发明实施例1制备得到的二氧化碳选择性渗透薄膜的CO2和N2渗透图；
图4为本发明实施例1制备得到的二氧化碳选择性渗透薄膜的CO2和N2分离系数图。
具体实施方式
本发明提供了一种二氧化碳选择性渗透薄膜，包括基底和覆盖在所述基底单面的二氧化碳气体分离层；所述二氧化碳气体分离层包括垂直于基底的碳酸根插层的水滑石纳米片和填充在所述碳酸根插层的水滑石纳米片之间的聚合物；所述碳酸根插层的水滑石纳米片的厚度为20～120nm。
在本发明中，所述基底的材质优选为聚四氟乙烯或者聚砜；所述基底的厚度优选为0.15～0.30mm，进一步优选为0.2～0.3mm，更优选为0.25～0.3mm。
在本发明中，所述二氧化碳气体分离层包括垂直于基底的碳酸根插层的水滑石纳米片和填充在所述碳酸根插层的水滑石纳米片之间的聚合物。
在本发明中，所述二氧化碳气体分离层的厚度优选为4000～5000nm，进一步优选为4200～4800nm，更优选为4400～4600nm。
在本发明中，所述碳酸根插层的水滑石纳米片的直径优选为4000～6000nm，进一步优选为4500～5500nm，更优选为4800～5300nm。
在本发明中，所述碳酸根插层的水滑石纳米片的厚度为20～120nm，优选为30～110nm，进一步优选为50～100nm，更优选为80～100nm。在本发明中，如果碳酸根插层的水滑石纳米片的厚度过大，则水滑石纳米片与聚合物相容性不好，使薄膜内部出现非选择性孔道，导致CO2的选择渗透性下降；如果碳酸根插层的水滑石纳米片厚度过小，则水滑石纳米片与CO2之间的作用力过小，从而使水滑石纳米片对CO2的促进传递性过小，导致薄膜对CO2的选择渗透性下降。
在本发明中，所述聚合物优选为聚丙烯酸树脂或聚乙烯亚胺。本发明对所述聚丙烯酸树脂和聚乙烯亚胺的来源没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述碳酸根插层的水滑石纳米片与聚合物通过静电作用相结合。
本发明还提供了上述技术方案所述二氧化碳选择性渗透薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水铝石凝胶涂覆在基底上，得到水铝石涂覆的基底；
(2)将所述步骤(1)得到的水铝石涂覆的基底、二价金属离子、尿素和去离子水混合，得到混合料液；所述二价金属离子包括Mg2+、Zn2+或Ni2+；
(3)将所述步骤(2)得到的混合料液进行晶化反应，得到初级薄膜；所述初级薄膜包括基底和垂直于基底生长的碳酸根插层的水滑石纳米片；所述晶化反应的温度为70～90℃，所述晶化反应的时间为20～30h；
(4)将聚合物旋涂于初级薄膜生长有碳酸根插层的水滑石纳米片的表面，得到二氧化碳选择性渗透薄膜。
本发明将水铝石凝胶涂覆在基底上，得到水铝石涂覆的基底。在本发明中，所述基底的材质优选为聚四氟乙烯或者聚砜。
在本发明中，所述水铝石凝胶的制备方法优选包括以下步骤：
将三异丙醇铝和水混合，得到混合溶液；
将所述混合溶液的pH值调节至3～4，然后蒸干得到水铝石；
将所述水铝石和水混合，得到水铝石水溶液；
将所述水铝石溶液的pH值调节至3～4，然后搅拌得到水铝石凝胶。
本发明优选将三异丙醇铝和水混合，得到混合溶液。在本发明中，三异丙醇铝和水混合后，三异丙醇铝发生分解，得到混合溶液。在本发明中，所述三异丙醇铝的质量和水的体积比优选为2.8～3.2g:90～110mL，进一步优选为2.9～3.1g:95～105mL，更优选为3g:100mL。在本发明中，所述三异丙醇铝和水混合的温度优选为80～90℃，进一步优选为85～88℃。本发明对所述三异丙醇铝和水的混合方式没有特别要求，采用本领域技术人员所熟知的混合方式即可。
本发明优选将所述混合溶液的pH值调节至3～4，然后蒸干得到水铝石。在本发明中，调节pH值的调节剂优选为硝酸。当以硝酸作为调节剂时时，本发明进一步优选将所述硝酸滴加至混合溶液中，所述滴加的速度优选为0.8～1.2mL/min，进一步优选为0.9～1.0mL/min，所述硝酸的浓度优选为0.8～1.2mol/L，进一步优选为0.9～1.0mol/L，本发明对硝酸的用量没有特别限定，只要能将溶液的pH调节到3～4即可。在本发明中，所述蒸干的温度优选为80～90℃，进一步优选为82～88℃，更优选为84～86℃，所述蒸干的时间优选通过混合溶液中的水分含量来控制，当蒸干到没有水分，得到水铝石晶体时，停止蒸干。
得到水铝石后，本发明优选将所述水铝石和水混合，得到水铝石水溶液。在本发明中，所述水铝石的质量和水的体积比优选为5.6～6g:105～109mL，进一步优选为5.7～5.9g:106～108mL，更优选为5.8g:107mL。在本发明中，所述水铝石和水混合的温度优选为80～90℃，进一步优选为85～88℃。本发明对水铝石和水的混合方式没有特别要求，采用本领域技术人员所熟知的混合方式即可。
得到水铝石溶液后，本发明将所述水铝石水溶液的pH值调节至3～4，然后搅拌得到水铝石凝胶。在本发明中，调节pH值的调节剂优选为硝酸。当调节剂优选为硝酸时，本发明进一步优选将硝酸滴加至水铝石溶液中，所述滴加的速度优选为0.8～1.2mL/min，进一步优选为0.9～1.0mL/min，所述硝酸的浓度优选为0.8～1.2mol/L，进一步优选为0.9～1.0mol/L，本发明对硝酸的用量没有特别限定，只要能将溶液的pH调节到3～4即可。
本发明将所述水铝石凝胶涂覆在基底上，得到水铝石涂覆的基底。在本发明中，所述涂覆优选包括：将基底垂直浸没于水铝石凝胶中、然后取出烘干；以所述依次进行的浸没和烘干为一个循环单元，所述浸没和烘干循环的次数优选为30～50次，更优选为35～45次，最优选为40次。
在本发明中，所述基底和水铝石凝胶的用量没有特别限定，只要保证水铝石凝胶能够将基底浸没即可。
所述涂覆后，本发明将所述水铝石涂覆的基底、二价金属离子、尿素和去离子水混合，得到混合料液。
在本发明中，所述二价金属离子包括Mg2+、Zn2+或Ni2+；在本发明中，所述二价金属离子优选以金属硝酸盐的形式提供，进一步优选为Mg(NO3)2、Zn(NO3)2或Ni(NO3)2。
在本发明中，所述混合料液中二价金属离子的浓度优选为0.2～0.6mol/L，进一步优选为0.3～0.5mol/L；所述混合料液中尿素的浓度优选为0.5～1.5mol/L，进一步优选为0.7～1.3mol/L，更优选为0.9～1.1mol/L；本发明对所述水铝石涂覆的基底的用量没有特别限制，只要能够保证混合料液中的液体将所述基底浸没即可。
在本发明中，所述水铝石涂覆的基底、二价金属离子、尿素和水的混合方式没有特别要求，采用本领域技术人员所熟知的混合方式即可。
得到水铝石涂覆的基底、二价金属离子、尿素和水的混合料液后，本发明将所述混合料液进行晶化反应，得到初级薄膜。
在本发明中，所述晶化反应的温度为70～90℃，优选为75～85℃，更优选为80～85℃；所述晶化反应的时间为20～30h，优选为22～28h，更优选为24～26h。
本发明在晶化反应过程中，混合料液逐渐出现沉淀，生成碳酸根插层的水滑石纳米片。在本发明中，所述水滑石纳米片中的碳酸根通过尿素分解得到。在本发明中，混合料液中的尿素分解生成NH3和CO2，合成原料中所用的硝酸盐溶于水中会产生硝酸根，硝酸根在水滑石形成之前大部分已被NH3中和，CO2在水溶液中反应生成CO3 2-，而且由于碳酸根相比于硝酸根在水滑石层间的结合更稳定，所以在水滑石纳米片生长过程中，CO3 2-进入水滑石纳米片的层间，形成层间阴离子，得到碳酸根插层的水滑石纳米片。
在本发明中，所述初级薄膜包括基底和垂直于基底生长的碳酸根插层的水滑石纳米片。
晶化反应后，本发明优选将晶化产物冷却至室温。本发明对冷却的方式没有特别限定，采用本领域技术人员所熟知的冷却方式即可。
本发明将晶化产物冷却至室温后，优选将晶化产物进行固液分离得到固体，然后经洗涤、干燥得到初级薄膜。本发明对所述固液分离的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的固液分离方式即可；在本发明中，所述固液分离进一步优选为离心分离，当采用离心的方式进行固液分离时，所述离心分离的转速优选为1500～2000r/min，进一步优选为1600～1800r/min，所述离心分离的时间优选为5～10min，进一步优选为6～8min。
本发明优选采用去离子水对分离得到的固体进行洗涤。本发明对所述去离子水的用量没有特殊要求，能够将固体浸没即可。本发明对洗涤的次数没有特别要求，优选将所述固体洗涤至中性即可；在本发明中，所述洗涤的次数优选为3～5次。本发明优选通过洗涤所述固体后的洗涤溶液的pH值来判断所述固体是否为中性；当所述洗涤溶液的pH值为6.5～7.5时，所述固体即为中性。
本发明优选对洗涤后的固体进行干燥。在本发明中，所述干燥的温度优选为50～70℃，进一步优选55～65℃；所述干燥的时间优选为10～15h，进一步优选12～14h。本发明对所述干燥的方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的干燥方式即可，优选采用真空干燥或者鼓风干燥。当采用真空干燥时，所述真空干燥的压力优选为0.5～0.8个大气压。
得到初级薄膜后，本发明将聚合物旋涂于初级薄膜生长有碳酸根插层的水滑石纳米片的表面，得到复合薄膜。
本发明在旋涂过程中，聚合物和碳酸根插层的水滑石纳米片依靠静电作用，使聚合物进入到碳酸根插层的水滑石纳米片中间的空隙处。在本发明中，所述聚合物分散液的质量浓度优选为0.1～0.3％，更优选为0.15～0.25％，所述聚合物分散液的溶剂优选为水。
本发明对所述聚合物分散液的制备方法没有特别要求，采用本领域技术人员所熟知的溶液配制方法即可。
在本发明中，所述旋涂优选通过旋转涂覆机完成；本发明优选使用抽真空的方法将初级薄膜通过基底侧吸附在旋转涂覆机上，然后将聚合物分散液重复旋涂于初级薄膜上。在本发明中，所述重复旋涂的次数优选为25～40次，进一步优选为30～40次，更优选为35～40次。在本发明中，旋涂的转速优选为4500～5500r/min，进一步优选为4800～5200r/min。在本发明中，所述聚合物分散液的用量优选通过聚合物分散液旋涂的次数进行控制。
所述旋涂后，本发明优选将所述复合薄膜进行干燥，得到二氧化碳选择性渗透薄膜。在本发明中，所述干燥优选为自然晾干。在本发明中，所述晾干的温度优选为20～30℃，进一步优选为25℃；所述晾干的时间优选为1～3h，进一步优选为1.5～2.5h。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1、将11.3gAl(OPr)3和100ml去离子水在85℃下搅拌20min，使其充分溶解，缓慢加入1mol/L的HNO3使Al(OPr)3溶解，并调节溶液的pH为3，85℃下保持2h后逐降至室温，缓慢蒸干得到水铝石；
2、将5.8g水铝石置于烧杯中，并加入107ml去离子水，84℃下搅拌1h，随后用浓度为1mol/L的HNO3调节溶液的pH值至3，恒温搅拌6h，冷却至室温得水铝石凝胶；
3、将聚四氟乙烯薄膜依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗30min，然后用去离子水冲洗，得到聚四氟乙烯薄膜基底；
4、将聚四氟乙烯基底洗涤后垂直置于凝胶中5min，将基底以0.05cm/min的速度提出，随后在空气中干燥15min，重复40次，得到水铝石涂覆的基底；
5、将Mg(NO3)2·6H2O溶于去离子水中，得到金属盐溶液；将尿素溶于去离子水中，得到尿素溶液；将水铝石涂覆的基底、金属盐溶液与尿素溶液混合，得到混合溶液，所述混合溶液中Mg2+的浓度为0.4mol/L，尿素的浓度为1.0mol/L；将混合溶液搅拌均匀，置于80℃的烘箱中，晶化24h，然后将反应体系自然冷却至室温；用无水乙醇洗涤所述固体，至洗涤后的无水乙醇为中性，得到初级薄膜；
6、将所述初级薄膜吸附于旋转涂膜机上，将所述丙烯酸树脂水分散液旋涂于初级薄膜表面，循环旋涂15次，得到复合薄膜；
7、将所述复合薄膜从涂膜机上分离并晾干，得到二氧化碳选择性渗透薄膜。
实施例2
1、将11.3gAl(OPr)3和100ml去离子水在85℃下搅拌20min，使其充分溶解，缓慢加入1M的HNO3使Al(OPr)3溶解，并调节溶液的pH为3/4。85℃下保持2h后逐降至室温，缓慢蒸干得到水铝石；
2、将5.8g水铝石与烧杯中，并加入107ml去离子水，84℃下搅拌1h，随后加入9.5mL浓度为1mol/L的HNO3，恒温搅拌6h，冷却至室温得水铝石凝胶；
3、将聚四氟乙烯薄膜依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗30min，然后用去离子水冲洗，得到聚四氟乙烯薄膜基底；
4、将聚四氟乙烯基底洗涤后垂直置于凝胶中5min，将基底以0.05cm/min的速度提出，随后在空气中干燥15min，重复40次，得到水铝石涂覆的基底；
5、将Mg(NO3)2·6H2O溶于去离子水中，得到金属盐溶液；将尿素溶于去离子水中，得到尿素溶液；将水铝石涂覆的基底、金属盐溶液与尿素溶液混合，得到混合溶液，所述混合溶液中Mg2+的浓度为0.6mol/L，尿素的浓度为1.5mol/L；将混合溶液搅拌均匀，置于70℃的烘箱中，晶化36h，然后将反应体系自然冷却至室温；用无水乙醇洗涤所述固体，至洗涤后的无水乙醇为中性，得到初级薄膜；
6、将所述初级薄膜吸附于旋转涂膜机上，将所述丙烯酸树脂水分散液旋涂于初级薄膜表面，循环旋涂15次，得到复合薄膜；
7、将所述复合薄膜从涂膜机上分离并晾干，得到二氧化碳选择性渗透薄膜。
实施例3
1、将11.3gAl(OPr)3和100ml去离子水在85℃下搅拌20min，使其充分溶解，缓慢加入1M的HNO3使Al(OPr)3溶解，并调节溶液的pH为3/4。85℃下保持2h后逐降至室温，缓慢蒸干得到水铝石；
2、将5.8g水铝石与烧杯中，并加入107ml去离子水，84℃下搅拌1h，随后加入9.5mL浓度为1mol/L的HNO3，恒温搅拌6h，冷却至室温得水铝石凝胶；
3、将聚四氟乙烯薄膜依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗30min，然后用去离子水冲洗，得到聚四氟乙烯薄膜基底；
4、将聚四氟乙烯基底洗涤后垂直置于凝胶中5min，将基底以0.05cm/min的速度提出，随后在空气中干燥15min，重复40次，得到水铝石涂覆的基底；
5、将Mg(NO3)2·6H2O溶于去离子水中，得到金属盐溶液；将尿素溶于去离子水中，得到尿素溶液；将水铝石涂覆的基底、金属盐溶液与尿素溶液混合，得到混合溶液，所述混合溶液中Mg2+的浓度为0.2mol/L，尿素的浓度为0.5mol/L；将混合溶液搅拌均匀，置于90℃的烘箱中，晶化48h，然后将反应体系自然冷却至室温；用无水乙醇洗涤所述固体，至洗涤后的无水乙醇为中性，得到初级薄膜；
6、将所述初级薄膜吸附于旋转涂膜机上，将所述丙烯酸树脂水分散液旋涂于初级薄膜表面，循环旋涂15次，得到复合薄膜；
7、将所述复合薄膜从涂膜机上分离并晾干，得到CO2选择性渗透薄膜。
对实施例1步骤5制备得到的碳酸根插层的水滑石纳米片使用扫描式电子显微镜进行表征，如图1所示。经测量其平均厚度为70nm，平均直径为5000nm。由图1可知，本发明所得碳酸根插层的水滑石纳米片为垂直于基底生长的，所得碳酸根插层的水滑石纳米片为二维层状结构。
对实施例1制备得到的二氧化碳选择性渗透薄膜使用X射线衍射仪进行表征，如图2所示。图中(003)面、(006)面、(009)面为碳酸根型水滑石特征峰，表明实施例1步骤5合成的固体为水滑石，且成功得到了含有水滑石的复合薄膜。由图2中的(003)峰出峰位置可知，本发明得到的水滑石纳米片是碳酸根插层的水滑石纳米片。
采用恒压差变容积法对实施例1制备得到的二氧化碳选择性渗透薄膜进行CO2和N2透过性测试，结果如表I所示。
表I二氧化碳选择性渗透薄膜对CO2和N2的渗透性
40KPa 60KPa 80KPa 100KPa 120KPa 140KPa
CO<sub>2</sub> 10332 8964 7856 8040 9295 12577
N<sub>2</sub> 6227 5473 5662 6228 7360 8573
由表I测试结果可知，薄膜对CO2的渗透性优于对N2的渗透性。
同时，本发明人还提供了实施例1制备得到的二氧化碳选择性渗透薄膜的CO2和N2理想分离系数，结果如表II所示。
表II二氧化碳选择性渗透薄膜的CO2和N2理想分离系数
由表II测试结果可知，随着压力的增大，CO2和N2理想分离系数先减小后增大，即二氧化碳选择性渗透薄膜对CO2的选择性随着压力增大逐渐减小，然后再逐渐增大。
对实施例2～3进行检测，得到与实施例1类似的结果，实施例2～3制备得到的二氧化碳选择性渗透薄膜对二氧化碳气体具有选择透过性，薄膜对二氧化碳的选择透过性能随着压力的增大先逐渐减小，然后再逐渐增大。
由以上实施例可知，本发明提供的二氧化碳选择性渗透薄膜对二氧化碳同时具有高选择性和渗透性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种二氧化碳选择性渗透薄膜，包括基底和覆盖在所述基底单面的二氧化碳气体分离层；所述二氧化碳气体分离层包括垂直于基底的碳酸根插层的水滑石纳米片和填充在所述碳酸根插层的水滑石纳米片间的聚合物；所述碳酸根插层的水滑石纳米片的厚度为20～120nm；
所述聚合物为聚丙烯酸树脂或聚乙烯亚胺；
所述二氧化碳选择性渗透薄膜的制备方法包括以下步骤：
(1)将水铝石凝胶涂覆在基底上，得到水铝石涂覆的基底；
(2)将所述步骤(1)得到的水铝石涂覆的基底、二价金属离子、尿素和去离子水混合，得到混合料液；所述二价金属离子包括Mg2+、Zn2+或Ni2+；
(3)将所述步骤(2)得到的混合料液进行晶化反应，得到初级薄膜，所述初级薄膜包括基底和垂直于基底生长的碳酸根插层的水滑石纳米片；所述晶化反应的温度为70～90℃，所述晶化反应的时间为20～30h；
(4)将聚合物旋涂于初级薄膜生长有碳酸根插层的水滑石纳米片的表面，得到二氧化碳选择性渗透薄膜。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳选择性渗透薄膜，其特征在于，所述二氧化碳气体分离层的厚度为4000～5000nm。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳选择性渗透薄膜，其特征在于，所述基底的材质为聚四氟乙烯或者聚砜。
4.权利要求1～3任一项所述二氧化碳选择性渗透薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将水铝石凝胶涂覆在基底上，得到水铝石涂覆的基底；
(2)将所述步骤(1)得到的水铝石涂覆的基底、二价金属离子、尿素和去离子水混合，得到混合料液；所述二价金属离子包括Mg2+、Zn2+或Ni2+；
(3)将所述步骤(2)得到的混合料液进行晶化反应，得到初级薄膜，所述初级薄膜包括基底和垂直于基底生长的碳酸根插层的水滑石纳米片；所述晶化反应的温度为70～90℃，所述晶化反应的时间为20～30h；
(4)将聚合物旋涂于初级薄膜生长有碳酸根插层的水滑石纳米片的表面，得到二氧化碳选择性渗透薄膜。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中涂覆的方式包括：将所述基底垂直浸没于水铝石凝胶中、然后取出烘干；依次重复所述浸没和烘干；所述重复的次数为30～50次。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)混合料液中二价金属离子的浓度为0.2～0.6mol/L，尿素的浓度为0.5～1.5mol/L。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中聚合物以聚合物分散液的形式提供，所述聚合物分散液的质量浓度为0.1～0.3％。
8.权利要求1～3任一项所述二氧化碳选择性渗透薄膜或权利要求4～7任一项所述制备方法制备得到的二氧化碳选择性渗透薄膜在二氧化碳分离中的应用。
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