金屬-有機(jī)骨架材料的吸附與膜分離性能研究.pdf

1、最近，多孔材料如沸石和金屬-有機(jī)骨架(Metal-Organic Framework，MOF)材料在化學(xué)工程和材料科學(xué)領(lǐng)域取得了重要發(fā)展。特別地，MOF材料具有獨特的屬性（孔尺寸可控性、結(jié)構(gòu)可設(shè)計性及化學(xué)功能化），使其在吸附分離、膜分離、催化和生物醫(yī)藥等方面受到了廣泛的關(guān)注。另外，作為實驗研究的補充，分子模擬在揭示MOF材料的微觀機(jī)理、建立材料結(jié)構(gòu)-性能（構(gòu)效）關(guān)系以及材料設(shè)計等方面表現(xiàn)出了極大的優(yōu)勢。本文利用實驗與分子模擬相結(jié)合的方法

2、，對MOF材料在水相中有機(jī)芳香分子吸附分離及氣相吸附/膜分離中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，主要工作如下:
　　1、以水穩(wěn)定的MIL-68(Al)材料為例，實驗測定了水溶液中苯胺吸附等溫線并驗證了計算模型。進(jìn)一步，系統(tǒng)地研究了水相中苯胺在32種MOF材料中的吸附行為，并分析了MOF材料吸附苯胺的構(gòu)效關(guān)系。結(jié)果表明，在低濃度下，苯胺吸附熱和材料自由體積對苯胺吸附同時起重要作用;在高濃度下，苯胺吸附量取決于材料的自由體積。另外，本工作提出了用于苯

3、胺回收的最佳MOF材料的設(shè)計要求，并以此計算設(shè)計了一系列高性能材料。
　　2、由于苯胺、苯酚具有相近的分子尺寸和沸點，有效分離苯胺/苯酚體系存在技術(shù)挑戰(zhàn)。本工作結(jié)合實驗與分子模擬方法，研究了廢水中苯胺/苯酚在柔性MIL-53(Al)材料中吸附分離行為。結(jié)果表明，在客體分子吸附過程中骨架柔性起了很重要的作用，因此能極大強化苯胺/苯酚的分離。與傳統(tǒng)吸附劑相比，MIL-53(Al)具有很高的苯胺吸附容量和苯胺/苯酚分離選擇性。因此，MI

4、L-53(Al)可以作為這一體系分離的理想吸附劑。
　　3、以變壓吸附工藝為例，采用分子模擬方法，研究了濕度條件下112種不同類型MOF材料用于天然氣凈化的構(gòu)效關(guān)系。本工作以吸附選擇性、目標(biāo)組分工作容量和再生性為評價標(biāo)準(zhǔn)，提出了濕度條件下MOF材料設(shè)計的要求，并篩選了理想的應(yīng)用材料。
　　4、采用了一種便宜且生物可兼容的MOF材料，MIL-88B(Fe)，與Matrimid(R)5218聚合物摻雜制備了MIL-88B(Fe)

5、/Matrimid混合基質(zhì)膜用于能源氣體(H2/CH4)凈化;測試了MIL-88B(Fe)/Matrimid膜的H2/CH4單組分和等摩爾混合組份的滲透分離性能。實驗結(jié)果表明，由于分子篩效應(yīng)，MIL-88B(Fe)摻雜能強化混合基質(zhì)膜中H2的通量但是會阻礙CH4的傳質(zhì)，因此強化了H2/CH4分離性能。在298 K和3 bar下，與純聚合物膜相比，含10％ MIL-88B(Fe)的混合基質(zhì)膜中H2的通量和H2/CH4分離因子分別提高了16

6、％和66％。另外，升高操作溫度能強化MIL-88B(Fe)/Matrimid膜的H2/CH4分離性能。
　　5、MOF膜后改性是提高其氣體分離性能的一種有效策略。然而，目前報道的改性方法需要MOF材料具備能參與反應(yīng)的功能團(tuán)，因而限制了這種方法的應(yīng)用。為此，本工作提出了一種簡單的膜改性方法用于CO2捕集。仿生的聚多巴胺幾乎對任何材料都具有很強的黏附性。并且聚多巴胺含有大量的氨基和羥基，能對CO2形成強的吸附作用位點。作為概念驗證試驗

7、，本工作采用聚多巴胺對典型的ZIF-8膜進(jìn)行化學(xué)修飾。實驗結(jié)果表明，在298 K和1 bar下，修飾后的ZIF-8膜表現(xiàn)出優(yōu)異的CO2分離性能，H2/CO2、CH4/CO2和N2/CO2選擇性分別為19.0，4.56和5.91，超過了對應(yīng)的努森選擇性(4.69，1.65和1.25)。為了說明這一方法的通用性，本工作進(jìn)一步用聚多巴胺對氧化石墨烯GO進(jìn)行修飾，制備了具有CO2選擇性的GO膜。這些工作表明，聚多巴胺可以作為膜后改性一個便捷和強