基于杂化ZIF混合基质膜的可控合成及CO2/N2分离性能研究

来源 :华北水利水电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qq77880066
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制备高性能CO2分离膜是有效减少温室气体排放和净化能源气体的重要手段,混合基质膜(MMMs)在气体分离中展现出良好的应用前景,其气体渗透率和选择性之间的权衡对于其商业应用仍然是一个挑战。无机填料的合理设计、填料与聚合物的相容性、填料在聚合物中的分散性对膜的形貌和分离性能有显著影响。为解决此问题,本研究通过配体掺杂设计,可控合成系列孔径可调的杂化配体沸石咪唑酯骨架(ZIFs)材料,并采用两种策略将其与线性氨基化多壁碳纳米管(MWCNTs-NH2)结合,以填料形式加入Pebax-2533聚合物基质中制备混合基质膜用于CO2/N2分离,具体内容如下:(1)通过调节苯并咪唑、2-甲基咪唑以及金属离子Zn2+的添加比例和顺序,可控合成了不同孔径大小和形貌的杂化配体ZIFs材料,通过SEM、TEM、氮气吸脱附等表征,结果表明苯并咪唑连接基的引入降低了纳米粒子的比表面积,使得大部分微孔孔径变得更为狭窄,但同时产生了少量介孔。核壳结构的ZIF-8-7(11%)以及多面体互嵌形貌的ZIF-7-8(1-25)纳米粒子适合用作膜填料。(2)采用溶液浇铸法以Pebax-2533为基质,将多面体互嵌形貌的ZIF-7-8纳米颗粒与线性氨基化多壁碳纳米管(MWCNTs-NH2)共混制备了Pebax/ZIF-7-8/CNTs-NH2混合基质膜。CNTs-NH2的掺入增加了气体的传递路径,提高了CO2的气体渗透量,碳纳米管表面功能化的氨基基团的存在提高了与Pebax-2533高分子链之间的相容性。ZIF-7-8掺量为15wt%,CNTs-NH2掺量为2wt%时,CO2/N2选择性达到最大为23.11,相较于纯膜的CO2/N2选择性提升了23.4%。(3)成功制备了线性CNTS-NH2@ZIF-8与CNTS-NH2@ZIF-8-7复合材料,并分别将它们作为填料制备CNTS-NH2@ZIF-8/Pebax混合基质膜与CNTS-NH2@ZIF-8-7/Pebax混合基质膜用于CO2/N2分离,当两种线性复合材料掺量均为5 wt%时,CNTs-NH2@ZIF-8-7/Pebax混合基质膜具有更优的CO2气体渗透性和选择性,归因于ZIF-8-7的孔结构、线性CNTs-NH2@ZIF-8-7复合材料的良好分散性以及与聚合物基质的良好界面相容性。其CO2气体渗透性达到467.6Barrer,相较于纯膜提升了36.6%,CO2/N2选择性达到最大为30.3,相较于纯膜提升了61.77%,表明其在CO2的分离纯化方面具有良好的应用前景。
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