納米多孔材料混合基質(zhì)膜制備及分離性能研究.pdf

1、氣體分離和水處理是關系生產(chǎn)和生活的兩個重要分離方面。高效分離技術在其中發(fā)揮著重要作用，膜分離技術因簡單高效、節(jié)能環(huán)保、易于產(chǎn)業(yè)化等特點，具有廣闊的發(fā)展前景。膜材料的開發(fā)是膜分離技術發(fā)展的核心，其中聚合物膜和無機膜得到了廣泛的研究。聚合物膜具有優(yōu)異的成膜性能，但是難以得到兼具高的通量和選擇性的膜材料。無機膜可以兼具高的通量和選擇性，但是生產(chǎn)大面積無缺陷膜比較困難。為此以聚合物為基底，無機物為添加物制備混合基質(zhì)膜（mixed matrix

2、membranes，MMMs）是結(jié)合兩者優(yōu)勢，彌補不足的有效方法。
　　納米多孔材料如金屬-有機骨架材料(metal-organic frameworks，MOFs)，金屬-有機多面體(metal-organic polyhedron，MOP)等材料具有多樣的化學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)可調(diào)性等，作為添加物制備MMMs具有獨特的優(yōu)勢。本文從MMMs分離應用角度出發(fā)，在新型納米多孔添加物材料的設計、MMMs制備及其性能研究方面做了系統(tǒng)的研究。主要

3、的研究內(nèi)容為:
　　1、采用具有大的孔尺寸、空金屬位、豐富-NH2官能團及高穩(wěn)定性的NH2-MIL-101(Cr)作為添加物，自具微孔聚合物(PIM-1)為基底，制備了不同NH2-MIL-101(Cr)添加量的NH2-MIL-101(Cr)/PIM-1 MMMs，研究了NH2-MIL-101(Cr)添加量及其添加時的干燥狀態(tài)對膜氣體分離性能影響。在CO2/N2的分離中，NH2-MIL-101(Cr)在低添加量5wt％時，NH2-M

4、IL-101(Cr)/PIM-MMM的CO2通量較PIM-1膜的CO2通量達到了39.0％的提高量，同時CO2/N2選擇性也有了一定增加。主要原因是NH2-MIL-101(Cr)大的孔道結(jié)構(gòu)在膜中形成了更多的的氣體通道，從而使膜的氣體通量得到了有效提高，同時NH2-MIL-101(Cr)自身對CO2的親和作用也有利于CO2通過膜材料，對分離效果具有積極作用。
　　2、離子液體的結(jié)構(gòu)及化學性質(zhì)具有多樣性，其中一些功能化的離子液體(t

5、ask-specific ionic liquid，TSIL)具有優(yōu)異的CO2分離性能，然而離子液體粘度大，易泄露的特點限制了其應用范圍。在MOF MMMs的研究中，對MOFs的改性修飾可以賦予其更多的功能性。本工作中以MOF材料作為TSIL的多孔載體，TSIL作為MOF的功能修飾物，制備了TSIL在MOF孔道中分布的TSIL與MOF的復合材料(TSIL@MOF)，進一步以TSIL@MOF為添加物制備了MMMs，研究了膜的氣體分離性能。

6、結(jié)果顯示，TSIL@MOF添加量為5wt％時，MMM的CO2通量和CO2/N2分離選擇性得到了同時提高，成功跨越了Robeson限制。
　　3、對于MMMs而言，添加物團聚沉降一直是阻礙其發(fā)展的關鍵問題。為此，我們選用了功能化的金屬-有機多面體作為添加物，聚砜(PSF)為基底，制備了新型混合基質(zhì)膜(MOP/PSF MMMs)。MOP可以和PSF一樣溶于制膜溶劑，有效緩解了膜制備過程中的團聚沉降問題。同時功能化的MOP材料可有效增強

7、分離效果，在對CO2/CH4混合氣的分離中，當MOP添加量為12wt％時，膜的CO2通量和CO2/CH4分離因子得到了同時提高，與純PSF的分離性能相比其提高量分別為81％和60％。
　　4、UiO-66(Zr)具有良好的親水性，孔尺寸為6.0(A)，可有效進行染料廢水的分離，同時具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。工作中以UiO-66作為添加物制備了不同UiO-66添加量的膜材料(UiO-66/PES MMMs)，并進行了全面的膜水處理性能測試。

8、在UiO-66添加量為1.0 wt％時，UiO-66/PES膜水通量較PES膜水通量提高了60％，同時膜的染料截留率及膜抗污染性能也得到了提升。
　　5、氧化石墨烯(GO)具有良好的親水及化學性質(zhì)，作為添加物制備水處理膜具有巨大的應用價值。為了使GO性能得到最大限度的發(fā)揮，同時賦予其更多的功能性，本工作中將UiO-66負載至GO層間制備了具有多孔分子篩性質(zhì)的UiO-66與GO復合材料(UiO-66@GO)，并以UiO-66@GO為