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我国矿井中绝大多数是瓦斯矿井,其中乏风瓦斯就是CH4浓度低于0.75%的煤矿通风瓦斯,风排瓦斯虽然浓度极低,但总量特别巨大。这部分CH4的排放对资源造成的严重浪费及对大气环境的破坏,已经成为全世界共同面临的重大问题。由于煤矿乏风中三种主要气体是CH4、O2和N2,因此研究出能够高效吸附分离O2/CH4和N2/CH4的气体吸附材料显得尤其重要。本文主要是针对N2和CH4的吸附,研究了金属有机骨架材料(MOFs)作为吸附剂对这两种气体的吸附规律。
本文综述了工业上常用的各类CH4吸附剂。着重介绍了MOFs这类多孔材料的合成及其在CH4吸附中的应用。
合成了一系列等结构的MOFs[M-BDC-dabco(M=Zn,Co,Ni)],考察了温度为303K,压力为0~6000torr压力范围内,该系列材料对CH4和N2的吸附性能。结果表明,以Ni作为中心金属离子的MOF,在相同条件下对CH4的吸附量大于以Zn和Co作为金属中心离子的MOFs。并且同一压力下,Ni-BDC-dabco对CH4的选择性优于Zn-BDC-dabco和Co-BDC-dabco。上述结论也得到M-BDC-dabco的CH4吸附吉布斯自由能变(-ΔG)计算结果的支持。
为了探索在MOFs中引入金属Ni离子是否也有促进CH4吸附的作用,对稳定性较好的MOFs[Cu-BTC]进行了改性。以Cu-BTC作为载体,通过浸渍法和原位掺杂两种方式引入金属Ni离子,探索了改性前后Cu-BTC吸附CH4和N2性能的变化。结果表明,通过浸渍法得到的产物Ni的负载量很低,但是利用此方法得到的Ni负载量为0.08%和0.134%的产物,在303K、0~6000torr的压力条件下CH4的吸附量提高了44%。通过原位掺杂的方法,所得产物中Ni负载量仍很低,但Ni离子对CH4的吸附并无明显的促进作用。
初步探索了1,4-苯二甲酸和吡嗪混合配体与过渡金属离子的配位自组装过程。得到四种配位聚合物,其中一种未见文献报道。利用单晶衍射、X射线衍射及红外光谱对新结构进行了表征。