优先渗透分离生物醇ZIF-8复合中空纤维膜的设计制备研究

Pervaporation is an efficient way of separation of bio-alcohols. The poor permeanselectivity of membrane restrict the application of pervaporation in industry. ZIF-8,is a good candicate for membrane separation of alcohols and water,due its unique porous structure and hydrophobic nature.The big challenge for ZIF-8 application is to prepare high-quality ZIF-8 membrane on substrate, due to the unfavorable heterogeneous nucleation and the poor interaction between ZIF-8 and substrate. This proposal firstly synthesize ZIF-8/PDMS composite hollow fiber using a wet spinning process. The fabrication process is investigated in detail and formation mechanism is discussed. The nucleation of ZIF-8 on this support and the ZIF-8/support bond is enhanced. Defect-free ZIF-8 membrane is then synthesized by hydrothermal or solvothermal secondary growth using nanosized ZIF-8 burried in support as the seeds. The membrane morphology is observed and the membrane fabrication mechanism is explored. The synthesized membrane is tested in alcohol/H2O separation. The releationship between the separation performance and membrane structure is studied. The absorption and difussion behavior of alchol and H2O moleculars in the membrane is investigated by both experiment and simulation. The proposal aims to tackcle the key problems of MOF membrane fabrication and to develop a controllable and reproducible way for alcohol selectively permeanable MOF membrane synthesis.This project is of great importance in both academy and application.

渗透蒸发膜分离技术是实现生物质醇燃料分离的有效途径。但是，目前透醇膜材料存在渗透通量低、选择性低等缺点。ZIF-8，由于其独特的孔道结构与疏水性，是一种潜在的醇、水分离膜材料。然而ZIF-8与通用的支撑体间作用力差，在支撑体上成核密度低，成膜困难是制约其应用的瓶颈。本项目采用溶液纺丝技术，将纳米ZIF-8粉体与聚二甲基硅氧烷混合制备出复合中空纤维支撑体，分析特性，探讨形成机制。再利用支撑体中的纳米ZIF-8作为晶种，提高ZIF-8在支撑体上的成核位点及ZIF-8与载体间的亲和力，通过水热或溶剂热二次生长，制备ZIF-8复合中空纤维膜。观测膜结构，揭示成膜规律。研究ZIF-8膜的醇、水分离能力，分析膜结构与分离性能间的构效关系，并结合计算模拟，探讨醇、水分子在膜内的吸附、扩散机理。解决MOF膜制备中的关键问题，实现高性能透醇膜的可控制备，用于生物质燃料分离，具有重要的学术意义和应用价值。

金属有机骨架（MOFs）是一种新型的多孔材料，由于具有巨大的比表面积、三维孔道以及可调控的的孔结构等特点，在膜分离及催化等领域有着非常广泛的应用前景。目前，多数研究集中新MOFs 的开发与新结构的解析。MOFs 的应用研究还很不成熟。因此，本工作选取两种热稳定好、典型 MOFs，即 ZIF-8 与UiO-66-NH2 作为研究对象，分别研究了它们的膜分离与催化性能。具体内容如下：一、针对 MOFs 晶体与载体间作用力差，很难有原位合成制备高质量的 MOF 膜，本研究首先采用晶化-打磨法在中空陶瓷纤维管上预置纳米晶种，然后再通过二次生长，合成连续致密的 ZIF-8 膜。 晶化-打磨能够去除原位晶化在载体形 成的松散的ZIF-8晶体，和填补ZIF-8 晶体未覆盖的区域，在载体上形成一层 均匀分布的 ZIF-8 纳米晶种。从而促进在 ZIF-8 在载体上的非均相成核生长，得到互生性很好的 ZIF-8 膜。 膜 H2 通量高达 1.1×10-6mol-1s-1Pa-1。H2/CO2,H2/N2 以及H2/CH4 的分离系数分别为 5.2, 7.3 和 6.8。二、采用热浸渍法来提高 ZIF-8 晶种在载体上的覆盖度，再通过二次水热合成， 成功地制备高质量的 ZIF-8 膜。合成的膜具有较高的氢气透过选择性。与其他制膜方法相比，热浸渍法具有简单、易操作的特点，是一种有效的制备 MOF 膜新方法。 三、利用 UiO-66-NH2 的氨基与乙酰丙酮盐钯络合，通过 NaBH4 制备了高活性 Pd@UiO-66-NH2 的催化剂。表征结果显示，UiO-66-NH2 结构在催化剂的制备过程没有破坏。尽管没能从TEM观察到Pd纳米粒子，催化剂表现出很高的加氢性能。