UiO-66系列膜的制备及其液体分离性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:ren_lian
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UiO-66系列材料是由锆金属中心离子与对苯二甲酸及其衍生物配位形成的一类刚性金属有机骨架材料(MOFs)。作为一种典型的锆基MOFs材料,UiO-66具有良好的稳定性,其结构可在500℃保持稳定,并且可在水和DMF、丙酮等有机溶剂中长时间稳定存在,同时还具有较强的耐酸性和一定的耐碱性,克服了多数MOFs材料热稳定性和化学稳定性较差的缺点,故UiO-66及其同族MOFs材料是理想的膜材料。但是UiO-66系列材料本身的生长特点使其难以形成连续的膜层,同时UiO-66系列膜的制备条件也比较苛刻,使得制备连续UiO-66系列膜的难度远大于报道较多的Zn-ZIFs膜,因此文献中关于UiO-66系列膜的报道比较少。本文根据UiO-66系列材料的生长特性,采用不同的制膜方法和策略,在多孔氧化铝陶瓷管式载体上制备了 UiO-66系列管式膜,并对其渗透分离性能进行研究,特别是基于其稳定性,根据膜极性和孔径等结构特点,将其应用于渗透蒸发、纳滤等液体分离领域。主要研究内容和结果如下:(1)采用晶种生长法在α-Al2O3管式载体内表面合成了连续的UiO-66膜,重点考察了水和乙酸对UiO-66膜形成的影响,并将制备得到的UiO-66膜应用于渗透蒸发分离甲醇/甲基叔丁基醚混合物。结果表明,晶种的引入有利于连续、致密的UiO-66膜的形成。水和乙酸对UiO-66膜的形成有重要影响,水可以促进UiO-66晶粒的共生,乙酸可以促进晶粒的生长,提高膜的结晶度,在最优条件下可以得到厚度约为6 μm的UiO-66膜。在渗透蒸发分离中,UiO-66膜对极性相对较强的甲醇表现出优先吸附作用,且可以起到一定的分子筛分作用,因此,UiO-66膜对5 wt.%甲醇/甲基叔丁基醚混合物展现出良好的分离性能,渗透通量为1.2 kg·m-2·h-1,分离系数接近600,并且可以长时间连续操作保持性能稳定,表现出潜在的应用价值。(2)基于同源金属氧化物能够诱导MOFs膜形成的原理,采用溶胶-凝胶法在α-Al2O3管式载体内表面引入一层ZrO2粒子层,然后溶剂热生长得到更为稳定的连续UiO-66-NH2膜,并将其应用于渗透蒸发模拟汽油(噻吩/正辛烷混合物,其中噻吩为硫化物)脱硫领域。引入的ZrO2粒子层不仅可以修补载体固有的较大缺陷,还可以作为UiO-66-NH2膜的活性配位生长点和与载体表面的连接点,促进高质量UiO-66-NH2膜层的形成,其气体分离性能和制膜重复性均比晶种生长法制备的膜层有一定程度的提高。ZrO2诱导的方法也可用于制备UiO-66膜和混合配体UiO-66膜,对UiO-66系列锆基MOFs膜的制备具有一定的普适性。UiO-66-NH2膜为亲水性膜,可以优先吸附噻吩/正辛烷混合物中的噻吩,且膜骨架中的锆也可以与噻吩发生化学作用力,因此UiO-66-NH2膜可以应用到渗透蒸发模拟汽油脱硫之中,在40℃条件下,对于1312ppm噻吩/正辛烷混合物的渗透蒸发分离,渗透通量为2.2 kg·m-2·h-1,噻吩的富集因子达17.9,高于多数有机脱硫膜和杂化脱硫膜的富集因子,展示出良好的分离性能。对UiO-66膜、双配体UiO-66膜和UiO-66-NH2膜的分离性能进行了对比分析,结果发现极性越强的膜分离效果越好,说明膜的极性在分离中起到主要作用。Zr02粒子层的诱导和连接作用提高了UiO-66-NH2膜的长时间操作稳定性和机械稳定性。(3)采用原位流动法在中空纤维陶瓷管载体内表面制备了 UiO-66膜,考察了合成时间和流速对膜形成的影响。由于流动过程能够保证成膜液浓度始终保持在较高水平,加快了 UiO-66晶粒的形成速率,因而有利于连续、完整的UiO-66膜的形成,流动反应30 h可以得到膜层厚度约为2μm的UiO-66膜。由于配位缺陷的存在,该膜层对对硝基苯酚的分离效果不太理想,但是利用配体与中心原子配位缺陷点的络合作用,通过配体溶液的流动修饰可以修补膜层的缺陷,提高UiO-66膜的分离性能,其对硝基苯酚的拦截效率达95%以上,且可以长时间操作保持性能稳定。
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