低浓度二代生物燃料（丁醇）富集的有机-无机复合膜研究

作为第二代可再生生物燃料，生物丁醇与生物乙醇相比在燃料性能方面具有明显的优势。但是生物发酵制得的丁醇的含量很低，这意味着生物丁醇的生产成本较乙醇高出许多。因此，低浓度丁醇高效富集技术的开发是生物丁醇大规模应用的关键。本项目根据有机-无机杂化膜的共性问题，结合申请人在无机膜领域的多年积累，在已取得的高性能分子筛-硅橡胶丁醇富集膜和沸石咪唑酯气体分离膜的研究基础上，开展高性能丁醇选择性渗透有机-无机复合膜（重点研究沸石咪唑酯-硅橡胶复合膜）的制备、表征和模拟相结合的系统研究，力争在低浓度丁醇高效膜富集研究方向取得突破。相关研究除了直接催生高性能沸石咪唑酯分离膜的合成技术的研究，还将加快丁醇富集渗透汽化与发酵耦合的工业化进程，同时还将带动沸石咪唑酯系列乃至其他类型有机金属骨架材料在渗透汽化分离方面的研究进展。

作为第二代可再生生物燃料，生物丁醇与生物乙醇相比在燃料性能方面具有明显的优势。基于膜分离的渗透汽化技术可以实现对于生物燃料（丁醇）的高效富集，具有能耗低、操作简单等优点，更适于工业化应用。将无机粒子掺入聚合物当中制备有机-无机复合膜，可以显著提高渗透通量，并获得稳定的分离系数。无机填充颗粒的疏水性、材料组成和结构以及孔径等因素直接影响了所构建复合膜的水热稳定性和对生物燃料（如丁醇）的分离性能。本项目工作主要针对有机-无机复合膜中 MOFs 填充颗粒的功能化展开。包括 ZIF-8 的疏水性，ZIF-108 的组成和结构以及 ZIF-8 孔径和分子筛分性质的调变。并最终以功能化的 MOFs 纳米基元构建用于生物丁醇富集的高效有机-无机复合膜。. MOFs疏水性调变：通过表面配体交换反应（SLER）在ZIF-8纳米颗粒的外层中引入疏水性配体DMBIM，明显改善了其稳定性，同时也提高了其疏水性，降低了吸附异丁醇的开孔压力。SLER后的ZIF-8-DMBIM可以多次循环较稳定地从水溶液中选择吸附异丁醇，性能明显优于ZIF-8。此外，SLER方法还可以较好地改进ZIF-7和ZIF-93的水热稳定性。. MOFs组成结构调变：以ZIF-108为母体的金属或配体交换过程，可实现对材料组成和结构的精细调变，在温和条件下构筑出具有SOD、RHO、GME、GIS结构的双金属、双配体以及双金属双配体的ZIFs材料。以ZIF-108为母体的Co2+、Ni2+金属交换过程，可调变材料对客体分子的选择性吸附性质。. MOFs孔结构调变：从“孔笼占据”的思想出发，精细调变ZIF-8的笼径和分子筛分能力。通过离子热合成技术来制备ZIF-8纳米晶体，同时将空间位阻显著的离子液体原位负载于ZIF-8的SOD笼内。离子液体占据笼内空间，材料比表面积和孔体积大幅下降，笼径显著降低，分子截留窗口由ZIF-8六元孔窗转变为空间受阻的SOD笼，材料具有优异的分子筛分性能。. 构建富集丁醇的有机-无机复合膜：将进行疏水改性的ZIF-8-DMBIM纳米晶粒均匀填充至聚合物当中来制备有机-无机复合膜，其丁醇富集性能明显高于ZIF-8复合膜，且膜的水热稳定性显著提高。该项研究拓展了MOFs材料和MOFs膜在含水条件下的应用，对MOFs在实际体系中取得应用具有里程碑意义。