【摘要】：化工分離過(guò)程在化學(xué)工業(yè)中占有重要地位。膜分離技術(shù)具有高效率、低能耗、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作安全方便、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì),近年來(lái)引起化學(xué)、化工、材料等領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注,并得到了快速發(fā)展。膜分離技術(shù)的關(guān)鍵在于膜材料的開(kāi)發(fā)。新型納米多孔材料,如金屬-有機(jī)骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)和共價(jià)有機(jī)骨架材料(covalent organic frameworks,COFs),由于具有高度可設(shè)計(jì)、可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)和化學(xué)功能性,以及與其它材料的良好兼容性等特性,成為膜材料優(yōu)異候選者。本工作采用高分子為基質(zhì)膜材料,或在氧化石墨烯(graphene oxide,GO)納米片協(xié)助、高分子涂層彌補(bǔ)強(qiáng)化下,與MOF/COF雜化,制備出新型分離功能復(fù)合膜。通過(guò)掃描電子顯微鏡、X射線衍射、紅外、X射線光電子能譜等方法,對(duì)制備的膜材料進(jìn)行表征,進(jìn)而研究了它們對(duì)混合液體、氣體的分離性能,并探討分離機(jī)理,為高效分離膜材料的開(kāi)發(fā)和化工分離性能強(qiáng)化提供借鑒。主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下:1、針對(duì)特定分離體系(1 wt.%丙酮水溶液、碳酸二甲酯-甲醇共沸物),采用室溫?cái)嚢杓纯芍苽涞膬煞NMOF材料,ZIF-7和ZIF-71,分別與高分子聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)雜化制備了混合基質(zhì)膜 ZIF-7/PDMS 和 ZIF-71/PDMS。通過(guò)滲透汽化(pervaporation,PV)的膜分離技術(shù)測(cè)試了混合基質(zhì)膜對(duì)待分離體系的分離效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,負(fù)載25 wt.% MOF的混合基質(zhì)膜分離性能(通量與分離因子)較純PDMS膜均有所提高,體現(xiàn)出此類膜在低濃度有機(jī)物回收、共沸體系分離上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),發(fā)揮了 MOF與高分子膜材料兩者優(yōu)勢(shì),并具有“1+12”的協(xié)同效應(yīng)。2、將一種超親水濕態(tài)MOF納米材料,UiO-66-(COOH)2,經(jīng)加壓協(xié)助自組裝(pressure-assisted self-assembly,PASA)方式插入 GO 納米片層中,制備出MOF@GO膜。MOF的加入構(gòu)筑了水分子高速傳質(zhì)通道,通過(guò)滲透汽化分離過(guò)程,顯著提高了乙酸乙酯-水(98/2, w/w)體系的滲透通量和分離因子,展現(xiàn)出較好的親水分離性能。此外,MOF合成與膜的制備過(guò)程只使用水作為溶劑,具有環(huán)境友好性。本研究中MOF插層方法以及PASA過(guò)濾制備膜技術(shù)的應(yīng)用,為其它層狀膜的性能強(qiáng)化提供了新思路。3、首次提出了 GO輔助制備COF超薄膜的方法。將二維結(jié)構(gòu)COF材料剝離成納米片,在GO納米片中豐富功能團(tuán)的協(xié)助下,通過(guò)真空過(guò)濾的方式再組裝堆疊,制備出新型COF超薄膜( 300 nm)。通過(guò)不同量COF納米片的層層錯(cuò)位再堆疊,制備出3種不同厚度(100 nm,210 nm和290 nm)的COF超薄膜,同時(shí)也構(gòu)筑了不同長(zhǎng)度的分子篩分通道。此外,提出了通過(guò)調(diào)節(jié)兩種納米片的數(shù)量比,來(lái)制備具有不同分離性能側(cè)重點(diǎn)(較高通量、較大選擇性或兩者平衡)膜的方法。這些超薄膜在H2-CO2體系中展現(xiàn)出較好的分離效果,較薄的分離層保證了其高滲透通量,分離性能超過(guò)2008 Robeson上限。這些方法對(duì)其它超薄膜的制備、性能調(diào)控具有借鑒意義。4、針對(duì)MOF膜制備過(guò)程中往往出現(xiàn)無(wú)選擇性缺陷的挑戰(zhàn),提出了使用半連續(xù)高分子薄涂層對(duì)MOF膜進(jìn)行缺陷彌補(bǔ)的策略�；诖瞬呗�,制備出與以高分子為主含量的傳統(tǒng)MOF混合基質(zhì)膜不同的新型ZIF-9@Matrimid膜。MOF晶體間的缺陷被高分子涂層彌補(bǔ),同時(shí)由于高分子的低通量限制使氣體分子優(yōu)先從ZIF-9部分通過(guò),從而充分發(fā)揮ZIF-9的氣體分離作用,提高分離性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在298K和2bar下,與ZIF-9膜相比,ZIF-9@Matrimid膜具有較大提高的H2-C02分離性能,H2-C02選擇性達(dá)到30.1 (提高了 123%)。這表明,采用高分子涂層對(duì)無(wú)機(jī)膜缺陷彌補(bǔ)是一種有效的分離強(qiáng)化手段。
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【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ051.893

【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 呂晨偉;聚丙烯腈超濾膜的制備及改性研究[D];長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué);2018年

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本文編號(hào)：2474578