高度取向ZIF-8膜制备及其气体分离性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yang2shuo7
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膜分离技术具有高效节能、清洁环保、占地面积小、操作简便等优势,是分离领域的研究热点。作为典型的金属有机骨架(MOF)材料,ZIF-8因其合适的孔径、优异的化学稳定性、热稳定性和便于制备等优势而被广泛应用于氢气纯化和丙烯/丙烷分离等气体分离膜的制备。近年来,在制备高质量ZIF-8膜以实现高效气体分离方面已经进行了广泛研究并取得了显著进展,但是对于ZIF-8膜的微结构优化尤其是取向调控仍然是一项具有挑战性的任务。通过调控MOF膜的优先取向可以有效提高孔道排列有序性、减少传质阻力、减少晶间缺陷,是优化MOF膜微结构的有效途径。二次生长法可通过对成核过程和生长过程的依次调控,实现对MOF膜制备过程的精准调控,是制备取向MOF膜的有效途径。然而,目前仍然存在着晶种层和载体之间结合强度低、晶种取向沉积工艺有限和二次外延生长难度大这三大技术难题,极大制约了取向MOF膜的高效制备。本论文针对上述要求和挑战,以叶形片状ZIF-8纳米片作为晶种,利用其片状形貌优势探索出通过旋涂工艺制备取向ZIF-8晶种层的简便方法;通过在晶种液中加入适量聚乙烯亚胺(PEI)可显著提高晶种层和载体之间的结合强度;结合低温合成策略有效抑制体相成核,从而成功实现了可控二次外延生长,首次采用二次生长法制备高度(110)取向ZIF-8膜,并系统研究了其气体渗透性能。具体研究内容和结论概括如下:(1)参照相关报道,首先利用ZIF-L晶体再转晶的方式制备了均匀叶形片状ZIF-8晶种并对其进行热稳定性及物理吸附性能分析。结果表明,制备的ZIF-8晶种具有很好的热稳定性和CO2吸附能力,显示出了其用于制备稳定H2/CO2分离膜的潜力。(2)采用二次生长法制备高度(110)取向ZIF-8膜。结合叶形片状ZIF-8晶种的片状形貌优势,通过旋涂法沉积了(110)取向ZIF-8晶种层;通过在晶种液中加入适量PEI以增强晶种层与载体间的结合力;采用低温二次生长法以抑制体相成核、减少孪晶生长,最终制备了维持晶种层原有取向的高度(110)取向ZIF-8膜。(3)对制备的(110)取向ZIF-8膜进行气体分离性能研究。结果表明,取向ZIF-8膜具有良好的轻组分分离性能、操作稳定性和独特的H2/CO2分离优势。其中,在150℃操作条件下H2/CO2和H2/CH4的分离选择性可达20.50和21.38。此外,通过与以纳米尺寸ZIF-8为晶种在相同制备条件下制备的ZIF-8膜的气体渗透性能对比,证实了PEI和叶形片状ZIF-8晶种对CO2的优先吸附,对于提升取向ZIF-8膜的H2/CO2分离性能具有积极的促进作用。
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