CPLs柔性温敏材料和GO@MOF-5复合材料的制备及其吸附分离碳氢化合物性能

发布时间：2017-06-11 16:09

  本文关键词：CPLs柔性温敏材料和GO@MOF-5复合材料的制备及其吸附分离碳氢化合物性能，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：烃类化合物的分离和纯化是化工、石油化工行业中重要的分离过程,轻质烯烃/烷烃混合物的分离一直是国际学术界和工业界极其关注的课题。针对碳氢化合物分离难度较大、吸附剂脱附再生能耗高的问题,本文研究了一种新型柔性温敏金属有机骨架材料,该材料对烯烃/烷烃具有高吸附选择性、且易脱附再生。同时,针对传统水热/溶剂热合成法反应时间长、依赖大量有机溶剂等问题,本文采用机械化学法高效合成MOF-5及其GO复合材料,并研究烯烃、烷烃在上述材料上的吸附相平衡和吸附选择性。该项目研究具有极其重要的科学研究价值。本文研究了溶剂对CPL-1结构及C3H6和C3H8吸附性能的影响。结果表明,溶剂在CPL-1材料骨架结构形成过程中具有模板剂作用,分子尺寸不同的溶剂制备得到的CPL-1材料的晶胞体积随着溶剂尺寸的增大而增大。其中分子动力学直径略大于C3H6的CH2Cl2作为溶剂得到的CPL-1材料对C3H6具有最小的转变压力,约为P=37 kPa。同时,CPL-1柔性材料具有特殊的温敏性,其能够在273 K下对C3H6发生骨架结构溶胀吸附,298 K下对C3H6发生骨架结构收缩脱附,且在298 K、P=90 kPa条件下脱附1 h C3H6的脱除率高达90%。本文系统考察了反应溶剂对CPL-2材料晶体结构、表观形貌及热稳定性的影响,并研究了烯烃和烷烃在CPL-2上的吸附相平衡。结果表明:添加H2O和CH2Cl2为溶剂得到的CPL-2材料呈现规整、均一的片状晶体,且具有更好的热稳定性。在273 K下,CPL-2仅对C3H6响应发生骨架结构溶胀吸附,孔结构由窄孔向大孔转变,对C3H6/C3H8的吸附选择性高达26。本文首次采用机械化学法成功的合成了MOF-5,并考察了原料配比和球磨条件对MOF-5比表面积和孔结构的影响。结果表明:Zn2+:BDC原料配比为3:1,球磨转速为1100 r/min,球磨时间为60 min时,可合成大比表面积和高孔容的MOF-5材料,其BET比表面积最高可达3465.9 m2/g,总孔容为1.097 cm3/g。同时,本文还研究了直链烷烃(C1-C7)在MOF-5上的吸附相平衡,MOF-5骨架结构与C1-C7的作用力强弱由直链烷烃分子的尺寸决定,C1-C7在MOF-5上的吸附等温线呈现出类转变压力,且类转变压力的值随着吸附质分子尺寸的增大而减小。且MOF-5对长链的C5-C7具有优异的吸附性能,吸附容量为8.0~10.2 mmol/g,约为同等条件下活性炭、沸石分子筛的1.2-8.2倍。本文考察了GO掺杂量对机械化学法合成的GO@MOF-5复合材料结构的影响,并研究了GO@MOF-5材料对烯烃/烷烃的吸附分离性能。结果表明:GO中大量的-COOH、-OH等基团能够与烯烃的π电子作用,增强复合材料与烯烃的作用力,提高MOFs材料对烯烃/烷烃的吸附选择性。其中5%GO@MOF-5对C2H6/C2H4的选择性最高,达到3.6;而8%GO@MOF-5对C3H6/C3H8的选择性最高,达到3.3。而且GO的掺杂使得8%GO@MOF-5复合材料在8?左右产生了新的微孔分布,对分子尺寸较大的C3吸附作用力增强,C3/C2选择性得到显著提高,其对C3H8/C2H6、C3H6/C2H4的选择性分别高达33、78。
【关键词】：碳氢化合物 金属-有机骨架材料 吸附选择性 脱附再生性能 机械化学法
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;O647.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-32
• 1.1 碳氢化合物概述12-15
• 1.1.1 碳氢化合物来源及用途12-13
• 1.1.2 碳氢化合物的分离方法13-15
• 1.2 金属-有机骨架材料及其复合材料简介15-22
• 1.2.1 刚性金属-有机骨架材料16-18
• 1.2.2 柔性金属-有机骨架材料18-21
• 1.2.3 MOFs/氧化石墨复合材料21-22
• 1.3 金属-有机骨架材料的制备方法22-26
• 1.3.1 水热/溶剂热合成法23
• 1.3.2 机械化学合成法23-26
• 1.4 MOFs材料在碳氢化合物吸附/分离领域研究进展26-29
• 1.4.1 饱和碳氢化合物的吸附/分离27
• 1.4.2 不饱和碳氢化合物的吸附/分离27-29
• 1.5 选题背景及意义29-30
• 1.6 研究内容30-31
• 1.7 创新点31-32
• 第二章 CPL-1 的合成、表征及丙烯/丙烷吸附相平衡32-53
• 2.1 引言32
• 2.2 实验部分32-38
• 2.2.1 实验原料及试剂32-33
• 2.2.2 实验仪器设备33
• 2.2.3 CPL-1 的制备33-34
• 2.2.4 CPL-1 的表征34-37
• 2.2.5 丙烯和丙烷在CPL-1 上的吸附相平衡测定37-38
• 2.3 实验结果与讨论38-51
• 2.3.1 CPL-1 的结构38-39
• 2.3.2 CPL-1 的表征39-44
• 2.3.3 丙烯和丙烷在CPL-1 上的吸附相平衡44-49
• 2.3.4 丙烯和丙烷在CPL-1 上的脱附性能49-51
• 2.4 本章小结51-53
• 第三章 CPL-2 的合成、表征及烯烃/烷烃吸附选择性53-68
• 3.1 引言53
• 3.2 理论部分53-55
• 3.2.1 吸附相平衡方程53-55
• 3.2.2 理想溶液吸附理论（IAST）及选择性的计算55
• 3.3 实验部分55-58
• 3.3.1 实验原料及试剂55-56
• 3.3.2 实验仪器设备56
• 3.3.3 CPL-2 的制备56-57
• 3.3.4 CPL-2 的表征57
• 3.3.5 烯烃和烷烃在CPL-2 上的吸附相平衡测定57-58
• 3.4 实验结果与讨论58-66
• 3.4.1 CPL-2 的结构58
• 3.4.2 晶体结构与形貌表征58-60
• 3.4.3 比表面积和孔隙结构分析60-62
• 3.4.4 热稳定性62
• 3.4.5 烯烃和烷烃的吸附相平衡及选择性62-66
• 3.5 本章小结66-68
• 第四章 机械化学法合成MOF-5 和GO@MOF-5 及其表征68-83
• 4.1 引言68
• 4.2 实验部分68-71
• 4.2.1 实验原料及试剂68-69
• 4.2.2 实验仪器设备69
• 4.2.3 氧化石墨（GO）的制备69-70
• 4.2.4 MOF-5 和GO@MOF-5 复合材料的制备70
• 4.2.5 MOF-5 和GO@MOF-5 复合材料的表征70-71
• 4.3 实验结果与讨论71-82
• 4.3.1 实验条件的影响71-78
• 4.3.2 GO@MOF-5 复合材料的表征78-82
• 4.4 本章小结82-83
• 第五章 碳氢化合物在MOF-5 及GO@MOF-5 上的吸附相平衡和选择性83-97
• 5.1 引言83
• 5.2 理论部分83-84
• 5.2.1 吸附相平衡方程83
• 5.2.2 理想溶液吸附理论（IAST）及选择性的计算83
• 5.2.3 等量吸附热的估算83-84
• 5.3 烯烃和烷烃在MOF-5 和GO@MOF-5 上的吸附相平衡测定84
• 5.4 实验结果与讨论84-95
• 5.4.1 C1-C7在MOF-5 上的吸附相平衡84-88
• 5.4.2 C1-C7在MOF-5 上的等量吸附热88-91
• 5.4.3 GO@MOF-5 对烯烃和烷烃的吸附选择性91-95
• 5.5 本章小结95-97
• 结论97-98
• 参考文献98-105
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果105-107
• 致谢107-108
• 附件108

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本文编号：441977