超临界CO2流体辅助制备沸石咪唑酯骨架膜及其气体分离应用

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chen_gm
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近年来,金属有机框架(Metal organic framework,MOF)分子筛膜的制备方法快速发展,在气体分离领域广泛应用,但其制备过程的可持续性和分离性能的优异性往往相互掣肘,难以兼得,影响其规模化应用前景。作为有别于传统物质固、液、气三相之外的超临界流体(Supercritical fluid,SCF),因其独特的相态而具有兼具类气体高扩散性和类液体高溶解性等多种特性,有望作为适宜的反应介质绿色制备晶态MOF膜。有鉴于此,本文创新性的利用SCF技术实现多种高性能MOF膜的绿色制备,并将其用于气体高效分离。(1)利用SCF技术制备出具有良好气体分离能力的ZIF-8膜,初步证实了该方法的可行性。利用超临界CO2(supercritical carbon dioxide,scCO2)为溶剂,在溶胶凝胶法沉积并煅烧的ZnO过渡层修饰的多孔载体表面,通过“超临界态”原位生长法一步制备出连续致密的ZIF-8膜。合理设计制备过程,可实现2-甲基咪唑(2-m Im)配体和scCO2溶剂的循环利用。同时,SCF极佳的扩散性等特点有利于制备出高度连生的ZIF-8膜层,在C3H6/C3H8混合体系分离中,C3H6渗透率为29.2×10-10 mol·m-2·s-1·Pa-1,C3H6/C3H8选择性为47.1,达到商业化应用所需的分离性能指标,初步实现了具有气体筛分能力的ZIF-8膜的绿色制备。(2)探索利用SCF技术制备出多种咪唑基MOF膜,表明上述方法具备一定普适性。以咪唑基配体MOF为例,在Co基凝胶层修饰的多孔载体表面,通过“超临界态”原位生长法一步制备出ZIF-67膜。实验结果表明,相较于溶液相制备方法,超临界氛围下转化Co基凝胶层是获得高质量ZIF-67膜不可或缺的前提条件。在适宜的凝胶层处理温度和scCO2生长氛围下,制得的ZIF-67膜H2渗透率为2.6×10-7 mol·m-2·s-1·Pa-1,H2/CO2、H2/N2和H2/CH4理想选择性分别为11.4、8.1和7.1,高于相应的努森扩散选择性,表明孔道尺寸筛分机理占据主导地位。此外,利用类似的策略,可在Zn基凝胶层修饰的多孔载体上制备出连续致密的MAF-6([Zn(eIm)2])膜,从而显著拓宽了SCF技术制备分子筛膜的适用范围。(3)开发出晶种辅助的SCF技术二次生长法制备ZIF-8膜,通过膜层微结构优化改善其分离性能。考虑到前述ZIF-8膜较低的气体透过率限制其潜在应用,在ZnO过渡层表面预先引入ZIF-8晶种层,随后通过“超临界态”二次生长制备出超薄连续的ZIF-8膜。实验结果表明,引入紧凑堆积的晶种层和选取适宜的生长氛围(“类气体”scCO2区域)是获得高性能ZIF-8膜必不可少的条件。在溶解性和扩散性适宜的scCO2介质中,成功获得膜层微结构优化的ZIF-8膜,其C3H6渗透率为149.6×10-10 mol·m-2·s-1·Pa-1,C3H6/C3H8选择性为51.8,较前述ZIF-8膜的渗透性和选择性均有提升,证实基于SCF技术的二次生长法可明显改善ZIF-8膜C3H6/C3H8分离性能。(4)基于原子层沉积(ALD)和SCF耦合的技术可实现ZIF-8膜的全流程绿色制备,兼具可持续的制备过程和满足商业需求的分离性能。考虑到前述ZnO层的制备仍需液相溶剂,利用ALD技术气相沉积出活性位点暴露的ZnO过渡层,随后通过“超临界态”原位生长法一步获得连续的ZIF-8膜。该制备方法全流程无溶剂,且无需任何的载体预修饰和膜层后活化,同时Zn金属源(ZnO相)、2-m Im配体和scCO2溶剂等试剂均可高效回收和重复利用。在适宜的ALD循环次数(~100次)下制得的ZnO层,转化后的ZIF-8膜C3H6渗透率为58.1×10-10 mol·m-2·s-1·Pa-1,C3H6/C3H8理想选择性为37.5,表明耦合ALD和SCF技术在高质量ZIF-8膜的绿色制备方面具有充分竞争力。
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