雜化膜兼具高分子和填充劑的優(yōu)點,能夠有效克服高分子膜滲透性和選擇性之間的“trade-off”,實現(xiàn)二者協(xié)同優(yōu)化。本研究以乙醇/水為分離體系,以溶解機制和擴散機制的協(xié)同強化為指導思想,通過調(diào)控填充劑的化學組成和拓撲結構,制備空心框架材料雜化膜,優(yōu)化膜的自由體積、親疏水性、篩分功能和界面形態(tài),實現(xiàn)高滲透性、高選擇性和高穩(wěn)定性。主要研究成果有:將具有多級結構的空心沸石咪唑框架材料(HZIF-8)與海藻酸鈉(SA)共混制備雜化膜。HZIF-8殼層微孔孔徑為3.4?,對于水/乙醇分子具有尺寸篩分功能,可提高雜化膜的擴散選擇性;HZIF-8內(nèi)部空心結構保證了水分子快速傳遞,可提高雜化膜對水分子的滲透性;此外,HZIF-8對SA高分子鏈的干擾作用提供了更多的自由體積孔穴和適宜的自由體積孔穴尺寸。HZIF-8的多功能實現(xiàn)了膜選擇性和滲透性的協(xié)同優(yōu)化。填充6 wt%HZIF-8的雜化膜性能最優(yōu),滲透性為2846 Barrer,分離因子為1884。將異金屬引入到金屬-有機框架材料(MOFs)中,制備異金屬MOFs空心納米籠(Fe ~(Ⅲ)-HMOF-5)和SA-Fe ~(Ⅲ)-HMOF-5雜化膜。Fe~(3+)的引入,在MOF結構中提供了具有親水性的不飽和配位位點,從而實現(xiàn)水分子的優(yōu)先吸附;空心結構的設計,提供了快速擴散通道,強化雜化膜擴散過程。Fe~(Ⅲ)-HMOF-5獨特的化學組成和物理結構實現(xiàn)了膜選擇性和滲透性的同時提高。填充6 wt%Fe~(Ⅲ)-HMOF-5的雜化膜滲透性為3464 Barrer,分離因子高達3423。將具有空心結構的共價有機框架材料(H-TpBD)與SA共混制備雜化膜,進一步提高填充劑與高分子的兼容性。H-TpBD具有親水性,可實現(xiàn)水分子的優(yōu)先吸附,提高雜化膜的溶解選擇性;內(nèi)部的空心結構保證了水分子的自由擴散,同時提高雜化膜的通量和分離因子;此外,H-TpBD可與SA鏈段產(chǎn)生相互作用,在干擾鏈段排布的同時,減少非選擇性界面缺陷的產(chǎn)生。填充H-TpBD的雜化膜實現(xiàn)了選擇性和滲透性的同時強化。填充6 wt%H-TpBD的雜化膜性能最優(yōu),其滲透性為4442 Barrer,分離因子為1651。
【學位單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ051.893
【部分圖文】：

圖 1-1 理想的膜界面[23]Fig. 1-1 Schematic diagram of an ideal hybrid membrane structure 三種非理想型雜化膜界面形貌：（a）界面空洞；（b）高分子鏈僵化堵塞[22]-2 Schematic diagram of three nonideal hybrid membrane morphologies:

4圖 1-2 三種非理想型雜化膜界面形貌：（a）界面空洞；（b）高分子鏈僵化；（c）孔道堵塞[22]Fig. 1-2 Schematic diagram of three nonideal hybrid membrane morphologies:(a) interfaciavoids, (b) rigidified polymer chain layer, and (c) pore blockage.高分子鏈僵化和界面空洞的形成是膜制備過程中溶劑蒸發(fā)或去除引發(fā)的壓力升高造成的。在填充劑相附近的高分子層僵化與其周圍的均布應力有關。在這種情況下，填充劑周圍高分子鏈的活動性低于高分子主體活動性。當填充劑周圍的壓力方向不均一時，界面空洞就會產(chǎn)生。界面空洞的產(chǎn)生被認為是相分離過程中填充劑周圍非溶劑和（或）高分子疏相成核現(xiàn)象導致的。以上兩種界面缺陷均

天津大學碩士學位論文（2）將異金屬引入到 MOFs 中，制備異金屬 MOFs 中空納米籠（FeIII-HMOF-5），它是以 FeIII和 ZnII為金屬節(jié)點，以對苯二甲酸為有機配體，將其與 SA 共混制備雜化膜。FeIII的引入，在 MOF 結構中提供了具有親水性的不飽和配位位點，有利于優(yōu)先吸附水分子，進而提高雜化膜的溶解選擇性；空心結構提供了快速擴散通道，強化雜化膜擴散過程。FeIII-HMOF-5 獨特的化學組成和物理結構，協(xié)同強化雜化膜的溶解和擴散過程，完成膜選擇性和滲透性的同時提高。（3）將空心 TpBD（H-TpBD）與 SA 共混制備雜化膜。H-TpBD 具有親水性，可以實現(xiàn)水分子優(yōu)先吸附，進而提高雜化膜的溶解選擇性；內(nèi)部的空心結構保證了水分子的自由擴散，有效提高雜化膜對水分子的滲透性；此外，H-TpBD可以和 SA 鏈段產(chǎn)生相互作用，在干擾鏈段排布的同時，減少非選擇性界面缺陷的產(chǎn)生。H-TpBD 的引入，同時優(yōu)化了雜化膜的自由體積、親疏水性和界面形態(tài)，實現(xiàn)了膜選擇性和滲透性的同步提升。

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本文編號：2834658