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《广西师范大学》 2019年
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沸石咪唑骨架膜、GO膜的制备及其对CO_2、N_2的分离研究

郑雁尹  
【摘要】:金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)是一类新型多孔配位聚合物,以金属离子或离子簇与有机配体桥联所形成一维或多维的配位聚合物。金属-有机骨架材料作为一种新型材料,在材料领域备受许多关注。由于MOFs材料具有良好的热稳定性和化学稳定性,且较大的Langmuir比表面积,孔隙率高和孔径可调节的作用,因此在气体、液体小分子的吸附和分离、催化、传感器、荧光等领域有着潜在的应用价值。目前,一些比较经典的MOFs材料的合成及将这些MOFs材料制备成膜的方法已经较为成熟,沸石咪唑酯骨架材料(zeolitic imidazolate frameworks,ZIFs)作为金属-有机骨架的一大重要分支,由常见的含氮杂环类的有机配体如咪唑和苯并咪唑与二价的金属离子形成多晶骨架材料,ZIFs材料与沸石分子筛的结构类似,有着Langmuir比表面积和孔容体积较大和孔径可调的优点,也有着良好的化学稳定性和热稳定性。由于ZIF膜具有许多优异的特点,致使该膜在吸附分离等领域上有着独特的优势。氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是石墨烯的衍生物,由于其具备规整和尺寸均一的二维纳米孔道、较大的比表面积,丰富的氧基团和出色的高导热性而具有广阔的改性吸附剂的前景。可以通过抽滤法、层层组装法、旋涂法和浸涂法等制备出氧化石墨烯膜。在放射性化学与水污染领域有着巨大的应用价值。为了解决ZIF膜的晶间缺陷问题,通过制备出纳米级的晶体和采用不同于传统方法的反向扩散法来分别制备出ZIF膜,从而有效的解决此类膜的晶间缺陷问题。全文主要研究内容和得到的结论如下:第一章是介绍了金属-有机骨架材料的特点及制备成金属-有机骨架膜材料的方法和特点和氧化石墨烯材料以及制备成膜的方法,以及它们合成研究的进展及其所应用的领域。第二章研究了在不同体系中制备出不同尺寸的ZIF-90晶体。1、在甲酸钠/甲醇体系中合成的ZIF-90晶体尺寸不均一,从几个微米到几十个微米不等,且产率不是很高,只有大约18%。2、在甲醇/水/PVP(聚乙烯吡咯烷酮)体系中合成的ZIF-90晶体中,晶粒尺寸在10μm以下,最小可以达到两个微米,该体系下合成的晶体尺寸均一。即使随着PVP质量分数的增加,对ZIF-90晶粒尺寸并不会产生很大的影响。最后,通过加入三辛胺(TOA)添加剂,具有大烷基取代基的叔胺可以起到很好的去质子化和表面活性剂的作用,促进ZIF-90纳米晶粒的成核和生长。在后续制备ZIF-90膜时,先对α-Al_2O_3载体进行3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)的修饰,接上胺基。这里,分别采用了原位合成法和二次生长法来制备ZIF-90膜。在原位法中制备的ZIF-90膜,由于晶体成膜后的力远远大于小分子APTES的改性作用,导致原位生长法制备的ZIF-90膜易脱落,致使后续的CO_2、N_2的理想分离性能较差。而采用二次生长法制备的ZIF-90膜,由于在载体表面涂覆上了一层晶种层,大大增加了ZIF-90的成核位点,使得致密性相对于原位法较好些,但还是存在一定的膜间间隙,对气体的分离性能并不是很理想。第三章研究了ZIF-8膜对气体的分离性能。ZIF-8由于具有较大的Langmuir比表面积、孔体积大和孔隙率高的特点,对气体的分离具有很好的分离能力。本章选取三种不同型号的PVDF膜通过采用反向扩散法来制备出ZIF-8膜,发现0.22μm的PVDF膜基底制备出的ZIF-8膜的致密性良好且连续互生。相对于ZIF-90膜的气体分离性能,ZIF-8膜的气体分离有着显著的提高。第四章研究了PVA/GO膜对气体的分离性能。先对PAN载体进行碱处理,增强后续GO与载体之间的结合力。而后通过将一定浓度的PVA溶液与一定体积的GO膜交联,制备出稳定性和化学性优异且致密的二维氧化石墨烯膜。实验表明,二维氧化石墨烯膜对CO_2、N_2的分离能力更加优异。抽滤体积为5 mL的GO/PVA膜,当压力在0.04 MPa时,CO_2/N_2分离的性能最佳,CO_2的渗透通量为0.78×10~(-6) mol?m~(-2)?s~(-1)?Pa~(-1),N_2的渗透通量为0.20×10~(-6) mol?m~(-2)?s~(-1)?Pa~(-1),CO_2/N_2的理想分离因子达到3.8。抽滤体积为10 mL的GO/PVA膜,当压力在0.10 MPa时,CO_2/N_2分离的性能最佳,CO_2的渗透通量为0.74×10~(-6)mol?m~(-2)?s~(-1)?Pa~(-1),N_2的渗透通量为0.16×10~(-6) mol?m~(-2)?s~(-1)?Pa~(-1),CO_2/N_2的理想分离因子可达到4.6。
【学位授予单位】:广西师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TQ051.893

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