金属有机骨架膜材料合成及分离性能研究

发布时间：2020-08-01 19:51

【摘要】：人类社会的发展离不开工业生产的进步,而伴随而来的环境恶化问题自第二次工业革命以后正在逐步加重。如今,高居不下的碳排放水平、水体污染等问题正在对人类的生存环境构成严峻挑战。工业生产中大量的化石燃料燃烧是造成大气中碳含量升高的主要原因之一。开发二氧化碳捕获与封存技术以及使用清洁的氢气作为替代能源都是解决该问题的有效途径。目前二氧化碳捕获技术中,燃烧前二氧化碳捕获技术是被讨论和研究最为广泛的技术。这个过程中,高效的H_2/CO_2混合气体分离技术是核心关键。氢气生产的主流工艺是蒸气甲烷重整,该过程最终产物为也为H_2/CO_2混合气体,需将其分离后提纯氢气。由此可见,对气体分离技术,尤其是H_2/CO_2混合气体分离技术的研究有着重要的现实意义。膜分离技术对比其他气体分离技术如吸附分离及低温蒸馏等,具有操作简便、能耗低、碳排放少等显著优势。开发合适的膜材料以实现对气体混合物的高效分离在学术研究及工业应用上都有极大价值。水体污染主要是由于工业生产中产生的废水未经过无害化处理就排放,其污染物包含重金属离子、染料分子等。染料对环境、对人体健康都有损害,且大部分染料不易降解,有效处理染料废水以实现达标排放或水资源再利用有着巨大的现实意义。传统处理方法包括吸附、沉淀等,成本偏高且由于染料种类多样、化学性质各不相同,这对吸附剂或沉淀剂的选择造成了许多困难。以超滤、纳滤为代表的膜分离技术在染料废水处理方面有极大优势。具有合适孔道或性质的膜材料可通过分子筛分作用将尺寸较大的染料分子去除从而获得高纯度的水,同时该过程受染料化学性质的影响较小,因此有望应用于多种染料废水的处理。金属有机骨架膜作为一种新型膜材料近年来受到研究人员的追捧。金属有机骨架膜具有规则的孔道,且孔道的尺寸和性质均可以通过改变金属中心或有机配体进行调节,使得金属有机骨架膜可根据需要对其结构和性质进行调整。较早的关于金属有机骨架膜的研究由Lin研究组报道。他们通过晶种辅助的二次生长法在多孔氧化铝载体表面制备了MOF-5,但由于MOF-5孔径较大,其对气体混合物的选择性仅为努森选择性,且MOF-5结构本身稳定性较差,限制了其在气体分离领域的应用。本文中利用金属有机骨架结构的可设计性,对MOF-5膜进行了改性。通过用2-甲基对苯二甲酸和2-氨基对苯二甲酸替代对苯二甲酸,利用“同源金属”生长法在多孔氧化锌载体上合成了两个MOF-5衍生膜。对比原生MOF-5膜,CH_3-MOF-5膜在稳定性上有较大提升,NH_2-MOF-5膜在气体分离选择性上有较大提升。这项工作表明了金属有机骨架膜本身的可设计性使其在合成具有特定性能膜材料方面的的巨大优势。对于H_2/CO_2混合气体的膜分离过程,二者尺寸上的差异在具有合适孔道的膜材料内部可引发截然不同的扩散速率,从而实现分离。此外,膜材料若与CO_2之间有较强的相互作用力将减缓CO_2的扩散,进一步扩大H_2与CO_2在扩散速率上的差异,提升H_2/CO_2选择性。膜材料的孔径在该过程中至关重要,过小的孔径会导致H_2渗透率降低,过大的孔径则会使H_2/CO_2选择性降低。通过研究报道中的理论计算与实验结果,我们认为当膜的孔径略微大于CO_2分子时,可同时实现高H_2渗透率和高H_2/CO_2选择性,即高分离效率。基于此,我们合成了具有狭窄孔道结构的沸石类咪唑骨架JUC-160膜。经气体吸附实验证明JUC-160的孔道尺寸介于CO_2分子与Ar分子之间,且骨架与CO_2分子间有很强的相互作用力,满足高效H_2/CO_2分离的条件。气体分离实验表明JUC-160膜具有非常好的热稳定性和极佳的H_2/CO_2分离性能。在200℃时,其H_2渗透率达到9.75×10~-77 mol m~-22 s~-11 Pa~(-1),H_2/CO_2选择性高达26.3。除H_2/CO_2分离外,我们还探究了JUC-160膜作为染料废水处理材料的潜力。JUC-160膜的孔道尺寸介于水分子与染料分子之间,且本身具有良好的稳定性,因此在染料处理方面也表现出了非常好的效果。我们利用三种不同类型、不同尺寸的染料分子作为评价物,JUC-160膜对染料分子展现出了强烈的分子排阻效应,对染料的截留率接近100%,同时其水渗透量也非常大,实现了高效率的水处理过程。通过上述工作,我们对金属有机骨架膜未来作为新一代膜材料在分离领域的前景抱有极大信心。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.893;X703
【图文】：

常见的次级结构单元

图 1.3 金属有机骨架材料的应用领域。[3]金属有机骨架材料的气体储存性能与其比表面积密切相关。欲提高单位质量金属有机骨架材料的气体储存能力需利用更长链的有机配体来构筑具有更大比表面积的金属有机骨架材料。然而，有机配体过长时，在与次级结构单元配位时，

图 1.4 调节有机配体得到的同构金属有机骨架。[12]ST-1 [Cu3(BTC)3]由桨状（paddlewheel）的次级结构单元[C配体均苯三酸构筑。[13]通过上述方法，可将均苯三酸变为TTCA3-和 BBC3-。[14-17]其中，晶胞最大的为 MOF-399 [C

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 秦正龙;化学与金属类文物的保护[J];化学教学;1995年10期

2 罗林;;半金属类摩擦件[J];中外技术情报;1994年04期

3 孙本双;;航空—宇航用先进金属类材料[J];材料科学与工程;1990年04期

4 陈美祥;林丽颖;林洁;林峥;冷旭媚;;神经生长因子治疗5例金属类化学物所致周围神经病疗效观察[J];中国工业医学杂志;2014年02期

5 杨永生;刘岩;海雅琳;曹淑芬;;一种判定喷油嘴内部金属类杂质堵塞物来源的方法[J];拖拉机与农用运输车;2016年05期

6 徐新华;张国刚;王林;杨勤玲;张毓萍;;金属类抗癌药物的研究进展[J];大连医科大学学报;2012年05期

7 周伟;张作刚;;各种腐蚀因素对金属类航材腐蚀的影响[J];科技信息;2009年11期

8 杨功敏;;浅析融资租赁解决金属类中小企业融资难的问题[J];中国金属通报;2018年04期

9 王毓川;;对小型金属造像保护的几点思考——以大理崇圣寺出土阿暒佛像为例[J];遗产与保护研究;2018年11期

10 陈志源;;碱金属类硫酸盐对水泥和混凝土性能的影响[J];水泥;1984年11期

相关会议论文 前4条

1 楚溪;;金属抗癌药的研究概况[A];第七届中国药学会医院肿瘤药学大会论文集[C];2018年

2 田宇;;铁器保护修复的方法与创新——以《吉林省博物院试验性修复项目》为例[A];格物集 吉林省博物馆协会第三届学术研讨会论文选编（2014-2015）[C];2016年

3 李发伸;;金属类磁粉复合材料的雷达吸波特性和高频磁性[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集（第7分册）[C];2010年

4 董运发;李忠涛;;用于空气电池的非贵金属类纳米电极材料的结构调控和性能优化[A];2019年第四届全国新能源与化工新材料学术会议暨全国能量转换与存储材料学术研讨会摘要集[C];2019年

相关重要报纸文章 前10条

1 本报驻东京记者 吴仲国;竞霸超导日本若何[N];科技日报;2002年

2 董凤斌;金属类A股显著跑赢H股[N];中国证券报;2009年

3 记者 梁敏　编辑 朱贤佳;大宗商品走强 “惹火”能源金属类股[N];上海证券报;2010年

4 记者　 王妍;实力派金属类公司才属真英雄[N];金融时报;2006年

5 本报记者 黄杰;多部委整饬贵金属类交易市场[N];中国经营报;2015年

6 谋文;“投机”与“投资”为金属类产品涨价推波助澜[N];中国冶金报;2003年

7 中证资讯 徐辉;金属类国企股股价翻倍[N];中国证券报;2004年

8 海通证券理财策划部　　丁险峰;关注煤矿机械及金属类股票[N];中国证券报;2005年

9 爱建证券分析师 张志鹏;投资环境扑朔迷离 小金属类有机可乘[N];证券时报;2011年

10 记者 马婧妤;证监会提示地方贵金属类交易风险大[N];上海证券报;2015年

相关博士学位论文 前1条

1 李湛;金属有机骨架膜材料合成及分离性能研究[D];吉林大学;2019年

相关硕士学位论文 前6条

1 王欣媛;锂/碳复合材料的制备及其作为锂金属电池负极的应用[D];中国科学技术大学;2019年

2 许艳青;明代主要金属类商品的对外贸易[D];暨南大学;2004年

3 王婧;寒冷地区穿孔金属表皮建筑采光适应性研究[D];河北工业大学;2015年

4 王文;水流作用下菱形金属网片水动力学特性的研究[D];大连海洋大学;2017年

5 高彦玲;对水稳定的羧酸金属有机骨架化合物材料的合成研究[D];南京师范大学;2014年

6 吕雪慧;吡啶/吡唑羧酸类金属有机框架的合成及其性能的研究[D];天津科技大学;2017年

本文编号：2777921