论文部分内容阅读
气体分离和水处理是关系生产和生活的两个重要分离方面。高效分离技术在其中发挥着重要作用,膜分离技术因简单高效、节能环保、易于产业化等特点,具有广阔的发展前景。膜材料的开发是膜分离技术发展的核心,其中聚合物膜和无机膜得到了广泛的研究。聚合物膜具有优异的成膜性能,但是难以得到兼具高的通量和选择性的膜材料。无机膜可以兼具高的通量和选择性,但是生产大面积无缺陷膜比较困难。为此以聚合物为基底,无机物为添加物制备混合基质膜(mixed matrix membranes, MMMs )是结合两者优势,弥补不足的有效方法。纳米多孔材料如金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs),金属-有机多面体(metal-organic polyhedron, MOP)等材料具有多样的化学性质、结构可调性等,作为添加物制备MMMs具有独特的优势。本文从MMMs分离应用角度出发,在新型纳米多孔添加物材料的设计、MMMs制备及其性能研究方面做了系统的研究。主要的研究内容为:1、采用具有大的孔尺寸、空金属位、丰富-NH2官能团及高稳定性的NH2-MIL-101(Cr)作为添加物,自具微孔聚合物(PIM-1)为基底,制备了不同 NH2-MIL-101(Cr)添加量的 NH2-MIL-10I(Cr)/PIM-1 MMMs,研究了NH2-MIL-101(Cr)添加量及其添加时的干燥状态对膜气体分离性能影响。在CO2/N2的分离中,NH2-MIL-101(Cr)在低添加量5 wt %时,NH2-MIL-101(Cr)/PIM-1 MMM 的 C02通量较 PIM-1 膜的 C02通量达到了39.0 %的提高量,同时C02/N2选择性也有了一定增加。主要原因是NH2-MIL-101(Cr)大的孔道结构在膜中形成了更多的的气体通道,从而使膜的气体通量得到了有效提高,同时NH2-MIL-101(Cr)自身对C02的亲和作用也有利于CO2通过膜材料,对分离效果具有积极作用。2、离子液体的结构及化学性质具有多样性,其中一些功能化的离子液体(task-specific ionic liquid, TSIL)具有优异的CO2分离性能,然而离子液体粘度大,易泄露的特点限制了其应用范围。在MOFMMMs的研究中,对MOFs的改性修饰可以赋予其更多的功能性。本工作中以MOF材料作为TSIL的多孔载体,TSIL作为MOF的功能修饰物,制备了 TSIL在MOF孔道中分布的TSIL与MOF的复合材料(TSIL@MOF),进一步以TSIL@MOF为添加物制备了 MMMs,研究了膜的气体分离性能。结果显示,TSIL@MOF添加量为5 wt%时,MMM的C02通量和C02/N2分离选择性得到了同时提高,成功跨越了 Robeson限制。3、对于MMMs而言,添加物团聚沉降一直是阻碍其发展的关键问题。为此,我们选用了功能化的金属-有机多面体作为添加物,聚砜(PSF)为基底,制备了新型混合基质膜(MOP/PSFMMMs)。MOP可以和PSF—样溶于制膜溶剂,有效缓解了膜制备过程中的团聚沉降问题。同时功能化的MOP材料可有效增强分离效果,在对C02/CH4混合气的分离中,当MOP添加量为12 wt %时,膜的C02通量和CO2/CH4分离因子得到了同时提高,与纯PSF的分离性能相比其提高量分别为81 %和60 %。4、UiO-66(Zr)具有良好的亲水性,孔尺寸为6.0A,可有效进行染料废水的分离,同时具有优异的稳定性。工作中以UiO-66作为添加物制备了不同UiO-66添加量的膜材料(UiO-66/PES MMMs),并进行了全面的膜水处理性能测试。在UiO-66添加量为1.0wt%时,UiO-66/PES膜水通量较PES膜水通量提高了 60 %,同时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)具有良好的亲水及化学性质,作为添加物制备水处理膜具有巨大的应用价值。为了使GO性能得到最大限度的发挥,同时赋予其更多的功能性,本工作中将UiO-66负载至GO层间制备了具有多孔分子筛性质的UiO-66与GO复合材料(UiO-66@GO),并以UiO-66@GO为添加物制备了一系列不同添加物添加量的混合基质膜(UiO-66@GO/PES MMMs),系统研究了膜的水处理性能。结果表明,在UiO-66@GO添加量为3.0 wt %时,UiO-66@GO/PES膜的水通量较PES和GO/PES膜的水通量分别提高了 351 %和78 %,同时具有良好的染料截留性能和膜抗污染性能,性能均优于相应的PES和GO/PES膜性能。