SOD拓扑结构的金属有机框架膜制备及其气体分离性能研究

作     者：何明亮 

作者单位：江西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张飞;陈祥树

授予年度：2021年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：ZIF-8膜 多巴胺 高氢气渗透速率 MAF-7膜 形貌控制 

摘      要：金属有机框架材料(Metal Organic Frameworks,MOFs)具有较高的比表面积、规则的孔径以及良好的化学稳定性和热稳定性,因而被广泛的应用于气体分离、液体分离等方面研究。基于MOFs制备的MOF膜材料是近年来研究者关注的热点,然而MOF膜制备过程中不良的异质成核问题一直影响高质量MOF膜的制备。为了解决这一问题,本文采用多巴胺修饰和晶种涂敷相结合的方法制备高渗透率的ZIF-8膜(SOD-[Zn(mim)](I-43 m,a=17.012(?),Hmim=2-methylimidazole,也称为MAF-4));采用晶种法制备了MAF-7膜(SOD-[Zn(mtz)](I-43 m,a=16.988(?),Hmtz=3-methyl-1,2,4-triazole))。主要研究内容如下:1)在ZIF-8膜合成过程中,由于前驱液中的ZIF-8晶体均相成核过快,导致制备的薄膜会出现缺陷。本文通过多巴胺修饰和晶种涂敷相结合的方法,引导ZIF-8晶体在支撑体表面异质成核和生长,以此制备了具有高氢气渗透率的ZIF-8膜。这主要归因于多巴胺具有丰富的官能团,可以螯合金属离子(Zn)以促进成核作用。此外,多巴胺还可以起到锚定晶种的作用,可以有效地减少ZIF-8晶种进入支撑体孔道中,从而使膜表现出较低的传质阻力,提高气体渗透通量。通过傅里叶红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对制备的膜进行表征,结果表明,使用多巴胺修饰和晶种涂敷相结合的方法才能制备连续、致密、高渗透通量的ZIF-8膜。在单组份气体渗透性能测试中,该膜表现出高达1.8×10 mol·m·s·Pa的氢气渗透速率,对H/CO、H/N、H/CH和HCH的理想选择性分别为4.1、8.5、11.3和294.0。该膜对氢气的渗透通量比相似支撑体上制备的ZIF-8膜高出约一个数量级。2)MOFs的吸附位点对CO分离膜材料的性能影响较大,由于MAF-7具有较多的CO吸附位点,利于吸附CO,在膜分离中更有利于CO的脱除。为此,本文初步探索了MAF-7膜的制备,对MAF-7膜的形貌影响因素进行了控制研究。利用采用晶种法,探究了金属离子与配体的摩尔比、反应液的pH值和合成温度对MAF-7膜形貌的影响。研究得出,合成MAF-7膜的最佳条件为:前驱液配比为1 Zn:8 Hmtz:3.3 NH·HO:4444 HO,反应时间为6 h,反应温度为298 K。在此条件下,能制备出了形貌较好的,膜层较薄的MAF-7膜。