金属有机骨架材料及其膜的制备与性能研究

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金属有机骨架(Metal organic frameworks,MOFs)是一种由无机金属中心与有机配体连接而成的具有周期性网络结构的晶态多孔材料。MOFs作为一种新兴材料,在水处理、催化、电池、传感器、气体储存和分离等领域拥有广泛的应用前景。MOFs材料不仅具有高的比表面积和孔隙率,而且拥有可调节的结构和孔道尺寸、良好的热稳定性和化学稳定性,易实现功能化等优点。近年来在材料科学、化学、化工等领域引起了研究者的广泛关注。由于MOFs晶体的优点,MOFs膜也成为了一种有应用前景的材料,越来越受到世界各国研究人员的关注。MOFs膜在气体分离和液体分离方面表现出优异的性能,并且还可以应用于催化和感应器件等。本论文研究了金属有机骨架膜材料在油水分离领域的应用和一种动态金属有机骨架材料及其膜的制备。由于石油、钢铁、纺织等工业的含油废水排放,以及频繁的溢油事故,石油污染已成为全球重要的环境和经济问题,研究高效油水分离材料和技术具有重要的科学意义和应用价值。传统的油水分离方法(离心法、吸附法、浮选法等)能耗高、占地面积大、用时长、分离效率低。近年来,膜分离技术不断发展,是当前对含油污水进行处理的有效技术,其具有分离设备简单、能耗低的优点。因为ZIF-8晶体具有良好的化学稳定性和热稳定性、合成原料价格低廉、合成方法简单等优点,我们以不锈钢网为载体,在常温常压下成功地制备出ZIF-8油水分离膜。ZIF-8油水分离膜具有优异的水下超疏油性能,对各种油水混合物的分离效率可达到99.99%以上,同时具有较高的水通量10.2×104 L m-2 h-1,以及耐压性。进一步研究发现,即使经过200°C的高温处理、以及在四氢呋喃(THF)、N,N’-二甲基甲酰胺((DMF)、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二氯甲烷(DCM)和正己烷多种有机溶剂中浸泡,该油水分离膜仍然表现出高效的油水分离性能,并且可以循环多次使用。基于简单的制备方法和便宜易得的原材料,ZIF-8油水分离膜很容易实现大面积制备。刚性金属有机骨架材料一直以来都是研究的热点,近年来,科学家对动态金属有机骨架材料的研究兴趣不断增加,在不同的外部环境刺激下可以改变其骨架结构和性质,例如温度、光、pH、磁场、客体分子等。我们研究了一种动态三维互穿结构的MOF—[Cu2(bdc)2(bpy)]n,该MOF的骨架结构具有可逆性,我们采用了一种简单省时的方法合成了该MOF晶体,并利用晶种辅助二次生长的方法在氧化铝基底上制备了[Cu2(bdc)2(bpy)]n膜,为制备动态可控分离膜奠定了基础。
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