金属—有机骨架膜的制备及其气体分离应用研究

发布时间：2018-06-07 17:17

本文选题：金属-有机骨架材料 + 气体分离膜　；参考：《北京化工大学》2016年博士论文

【摘要】：金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是由金属离子和有机配体通过自组装过程形成的纳米多孔材料。MOF材料有诸多优点,如密度小、比表面积高、不饱和金属位点和孔尺寸可调节性等,目前已经应用在气体储存、分离、催化、吸附等领域。近几年,MOF材料的其中一个应用—气体膜分离,吸引了大批实验和理论研究学者。膜分离技术,是工业生产中从各种尾气里捕获二氧化碳的有效方法之一,它低能耗、工艺简单、无相变。在膜分离领域里,新型的膜材料研发成为了首要的问题。本文采用不同的方法制备了 MOF膜材料及其复合膜材料,并应用到气体分离领域,通过扫描电子显微镜分析、X射线衍射分析、热重分析、红外分析等方法,对合成的膜材料进行了表征,进而考察其对透过气体的分离性能。主要研究内容如下:1、采用常规原位生长法合成ZIF-9膜,并研究了偶联剂用量、金属盐与配体的物料比、反应温度、反应时间等条件对ZIF-9膜的生长和气体分离性能的影响,进而得到了最佳合成条件为:偶联剂用量为偶联剂溶液体积分数的2%,金属盐与配体的摩尔比为1:2,反应温度为110℃,反应时间为72小时。2、本文提出变温法合成ZIF-9膜的策略,采用扫描电子显微镜分析、X射线粉末衍射分析、气体分离性能测试等方法,对变温法合成的膜与原位生长法合成的膜进行比较。结果表明,采用变温法合成的ZIF-9膜,不论在膜的生长方面,还是在气体分离性能方面,都要优于原位生长法。这种变温法的优势在于:它将MOF膜合成过程的成核和生长阶段分开,达到了低温成核、高温生长的目的,实验的低温阶段选用80℃、高温阶段选用130℃。目前来看,变温法在MOF膜合成领域的使用尚属首次。3、采用层层沉积热处理的方法,将离子液体(ILs)功能化后的碳纳米管(CNTs),附着在已合成的ZIF-9膜的表面,同时,在ZIF-9膜的缺陷处,也填充了离子液体功能化后的碳纳米管,合成了CNT@IL/ZIF-9复合膜。测试结果表明,此三元体系膜的气体分离性能效果要比纯ZIF-9膜和IL/ZIF-9、CNT/ZIF-9等二元体系膜更具优势。此外,还考察了在不同的操作温度和压力下,通过此三元体系复合膜的气体分离性能的变化,得出了最佳操作条件。其稳定性、可重复性、良好的气体分离效果为膜分离领域开辟了新思路。4、成功制备了金属-有机骨架材料/嵌段聚醚酰胺(ZIF-8/PEBAX-1074)的混合基质膜。实验探究了添加不同含量的ZIF-8 (0%,5%,10%,15%,20%),并利用流涎法制备混合基质膜,在气体分离性能方面的异同。结果表明,此混合基质膜表现出了很高的CO2/H2、C02/N2、CO2/CH4分离性能。在ZIF-8添加量为15%时,混合基质膜表现出最优的气体分离性能。由于嵌段聚醚酰胺是已经工业化和商业化的聚合物,而ZIF-8的合成成本较低,操作简单,两种材料的复合对实际工业应用具有广阔的前景。5、本文将两种MOF材料:MIL-53(A1)和ZIF-9同时添加到嵌段聚醚酰胺,制备了 ZIF-9/MIL-53(Al)/PEBAX-2533混合基质膜材料。通过气体分离性能的考察可以看出,此混合基质膜对的二氧化碳有着良好的分离效果。同时,本文还研究了这种膜在气体分离效果上与ZIF-9/PEBAX-2533 和 MIL-53(Al)/PEBAX-2533 的不同,并且探讨了两种MOF材料添加量不同时,混合基质膜的分离效果的变化。该研究为工业生产中膜分离工艺提供了新思路。
[Abstract]:Metal - organic framework ( MOFs ) is a kind of nano porous material formed by self - assembly process of metal ion and organic ligand . It has many advantages such as low density , high specific surface area , unsaturated metal site and pore size adjustability . The study provides a new idea for membrane separation process in industrial production .
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893

【参考文献】