MOFs膜的制备及其分离性能研究

作     者：刘黎 

作者单位：宁夏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王政

授予年度：2019年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：UiO-66膜 ZIF-8膜 色素分离 油水分离 气体分离 

摘      要：在我国乃至全世界的传统工业中,为工业反应巾副产物、多余的原料等物质进行分离工艺投入了大量的资本、人力物力。发展一种低能耗、可持续发展的工业分离方法则显得极为重要。基于目前环境污染以及工业生产的需要,针对染料色素废水、分层油水混合物、H2/CO2以及C3H6/C3H8混合气体这四种不同性质的混合体系,运用膜分离技术,结合MOFs材料的优异性质,选择UiO-66和ZIF-8在不同载体上制备膜材料。根据其应用范围不同,设计制备了三种不同功能的膜材料,对染料色素,分层油水混合物以及H2/CO2和C3H6/C3H8进行了膜分离测试。由于UiO-66表面的特殊基团,将其应用于色素分离。选择不同配比的合成液制备出了粒径均一,大小约为200nm、300nm、700nm、900nm的正八面体的UiO-66晶粒,选取粒径均一且尺寸较小的UiO-66品粒制备色素分离膜。选取200nm的UiO-66品粒在醋酸纤维素膜载体上采用真空抽滤的方法制备UiO-66膜,其中UiO-66品粒的堆积形成了一定的品间隙、层间隙的结构,这一结构使得色素溶液在通过时受到了一定的阻滞,使得晶体与色素接触时间延长;另一方面这种孔隙结构有效的截流了大分子色素,有利于色素分离。同时,实验合成的酸促进的UiO-66表面暴露出了 H+,使得色素溶液中的阴离子色素容易与其发生静电作用,达到色素分离的效果。膜分离相较于一般的粉体吸附有较大的优势,首先没有吸附剂回收困难的问题,膜组件更换简单;且膜分离可以实现高通量的高效分离。本实验为色素分离提供了新的模式,且为膜应用于色素分离提供了新思路。利用UiO-66晶体规则的正八面体结构以及其表面特殊的亲水性,将其在不锈钢网载体上制备膜层,用于油水分离。选择聚乙烯醇(PVA)修饰保护了载体,以二次生长和原位生长法制备了 UiO-66/不锈钢网复合膜,实验结果以及表征结果证实,该膜网具有可调控的疏水/疏油性质。接触角结果表明其具有空气中亲油、水下超疏油以及油下疏水的性质,根据浸润性原理,在其表面优先引入水或油将其润湿,则其表面就会表现出疏油/疏水的性质。其对于环己烷/水的分离高达99.0%左右,分离通量接近76.9L·m-2·s-1,这为发展MOFs膜用于处理实验室及工业废水提供了优良的应用背景。由于ZIF-8晶体的3.4A的特殊孔径,将其应用于气体分离。利用匀胶机在多孔氧化铝(α-Al2O3)载体表而旋涂ZIF-8晶粒,制备ZIF-8晶种层。通过改变旋涂次数,制备得到了单位而积内晶粒密度不同的晶种层,在相同的二次生长条件下制备得到了 ZIF-8膜层,膜层致密性随着旋涂次数的增加而提高。其中,旋涂4次再二次生长2h的膜,可以有效地分离分子动力学直径相近的气体分子,且实际分离系数大于努森扩散系数,证实膜层致密。H2/CO2分离系数最大为2.64,但是分离渗透速率较低。C3H6/C3H8混合组份气体实际分离系数最大值为3.9远高于努森扩散系数1.05,证明ZIF-8膜对C3H6/C3H8混合组份气体有明显的分离效果,该研究为ZIF-8膜用于H2/CO2工业分离及C3H6/C3H8工业分离提供了严谨的研究数据。