金屬-有機(jī)骨架膜的制備及其氣體分離應(yīng)用研究.pdf

1、金屬-有機(jī)骨架材料(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是由金屬離子和有機(jī)配體通過(guò)自組裝過(guò)程形成的納米多孔材料。MOF材料有諸多優(yōu)點(diǎn)，如密度小、比表面積高、不飽和金屬位點(diǎn)和孔尺寸可調(diào)節(jié)性等，目前已經(jīng)應(yīng)用在氣體儲(chǔ)存、分離、催化、吸附等領(lǐng)域。近幾年，MOF材料的其中一個(gè)應(yīng)用—?dú)怏w膜分離，吸引了大批實(shí)驗(yàn)和理論研究學(xué)者。膜分離技術(shù)，是工業(yè)生產(chǎn)中從各種尾氣里捕獲二氧化碳的有效方法之一，它低能耗、工藝簡(jiǎn)單、無(wú)相變。在膜分離領(lǐng)

2、域里，新型的膜材料研發(fā)成為了首要的問(wèn)題。
　　本文采用不同的方法制備了MOF膜材料及其復(fù)合膜材料，并應(yīng)用到氣體分離領(lǐng)域，通過(guò)掃描電子顯微鏡分析、X射線衍射分析、熱重分析、紅外分析等方法，對(duì)合成的膜材料進(jìn)行了表征，進(jìn)而考察其對(duì)透過(guò)氣體的分離性能。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1、采用常規(guī)原位生長(zhǎng)法合成ZIF-9膜，并研究了偶聯(lián)劑用量、金屬鹽與配體的物料比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件對(duì)ZIF-9膜的生長(zhǎng)和氣體分離性能的影響，進(jìn)而得到了最

3、佳合成條件為:偶聯(lián)劑用量為偶聯(lián)劑溶液體積分?jǐn)?shù)的2％，金屬鹽與配體的摩爾比為1∶2，反應(yīng)溫度為110℃，反應(yīng)時(shí)間為72小時(shí)。
　　2、本文提出變溫法合成ZIF-9膜的策略，采用掃描電子顯微鏡分析、X射線粉末衍射分析、氣體分離性能測(cè)試等方法，對(duì)變溫法合成的膜與原位生長(zhǎng)法合成的膜進(jìn)行比較。結(jié)果表明，采用變溫法合成的ZIF-9膜，不論在膜的生長(zhǎng)方面，還是在氣體分離性能方面，都要優(yōu)于原位生長(zhǎng)法。這種變溫法的優(yōu)勢(shì)在于:它將MOF膜合成過(guò)程的成

4、核和生長(zhǎng)階段分開，達(dá)到了低溫成核、高溫生長(zhǎng)的目的，實(shí)驗(yàn)的低溫階段選用80℃、高溫階段選用130℃。目前來(lái)看，變溫法在MOF膜合成領(lǐng)域的使用尚屬首次。
　　3、采用層層沉積熱處理的方法，將離子液體(ILs)功能化后的碳納米管(CNTs)，附著在已合成的ZIF-9膜的表面，同時(shí)，在ZIF-9膜的缺陷處，也填充了離子液體功能化后的碳納米管，合成了CNT@IL/ZIF-9復(fù)合膜。測(cè)試結(jié)果表明，此三元體系膜的氣體分離性能效果要比純ZIF-9

5、膜和IL/ZIF-9、CNT/ZIF-9等二元體系膜更具優(yōu)勢(shì)。此外，還考察了在不同的操作溫度和壓力下，通過(guò)此三元體系復(fù)合膜的氣體分離性能的變化，得出了最佳操作條件。其穩(wěn)定性、可重復(fù)性、良好的氣體分離效果為膜分離領(lǐng)域開辟了新思路。
　　4、成功制備了金屬-有機(jī)骨架材料/嵌段聚醚酰胺(ZIF-8/PEBAX-1074)的混合基質(zhì)膜。實(shí)驗(yàn)探究了添加不同含量的ZIF-8(0％，5％，10％，15％，20％)，并利用流涎法制備混合基質(zhì)膜，在

6、氣體分離性能方面的異同。結(jié)果表明，此混合基質(zhì)膜表現(xiàn)出了很高的CO2/H2、CO2/N2、CO2/CH4分離性能。在ZIF-8添加量為15％時(shí)，混合基質(zhì)膜表現(xiàn)出最優(yōu)的氣體分離性能。由于嵌段聚醚酰胺是已經(jīng)工業(yè)化和商業(yè)化的聚合物，而ZIF-8的合成成本較低，操作簡(jiǎn)單，兩種材料的復(fù)合對(duì)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用具有廣闊的前景。
　　5、本文將兩種MOF材料:MIL-53(Al)和ZIF-9同時(shí)添加到嵌段聚醚酰胺，制備了ZIF-9/MIL-53(Al)/