功能化Zr-MOF强化混合基质膜CO2分离

混合基质膜（MMMs）在气体分离领域具有良好的应用前景,金属有机框架（MOFs）由于具有高孔隙率和有机连接基团,常被用作填料制备MMMs。但由于MOFs与聚合物的界面相容性问题,MMMs的气体分离性能提升受到限制。本文合成了功能化的Zr-MOF（UiO-66-AC）,并利用其与聚醚共聚酰胺（Pebax）共同制备了混合基质膜。填料中引入的羰基和羧基等基团提供了MOFs与聚合物基质之间较强的界面相互作用。与纯Pebax膜相比,UiO-66-AC/Pebax MMMs的气体渗透性能得到了显著提高。当填料质量分数为6%时,膜的CO₂渗透系数为102.4 Barrer,CO₂/N₂和CO₂/CH₄选择性分别为90.6和26.0,CO₂/N₂分离性能突破了Robeson上限(2008),表明该混合基质膜在CO₂的分离应用上具有潜力。     

面向CO2分离的混合基质膜研究进展

CO₂分离膜技术是有效减少温室气体排放和能源气体净化的重要手段。设计制备新型混合基质膜(Mixed matrix membranes, MMMs)是同时提高膜的渗透性和选择性的有效途径。MMMs在多种膜分离材料中表现出了优异的CO₂分离性能，并且其具有潜在的克服trade-off效应的前景，因此被研究者广泛关注。MMMs中的填充剂对其分离性能起到至关重要的作用。首先介绍了MMMs中CO₂的传递机制，从传统型填充剂和新型填充剂入手，总结了近年来MMMs中不同种类的填充剂在膜基质中起到的作用以及对CO₂分离性能影响的研究进展。最后，对MMMs用于CO₂分离未来的发展进行了展望。     

IL@ZnBDC/PI混合基质膜的制备及CO2分离性能研究

选取咪唑型离子液体修饰金属有机框架填料ZnBDC制备IL@ZnBDC纳米复合填料,通过物理共混的方式将其引入PI中制备PI-IL@ZnBDC混合基质膜。结果表明,复合填料的引入改善了填料与PI间的相容性,增加了混合基质膜的分子链间距,强化了膜内CO₂扩散过程。同时,离子液体中含有与CO₂有较强亲和作用的三氟甲基、磺酸基团和咪唑基团,促进了CO₂在膜内的溶解,进而协同强化了PI-IL@ZnBDC混合基质膜的溶解-扩散机制,提升了CO₂气体通量和选择性。相较于纯PI膜,PI-IL@ZnBDC-2膜表现出优异的气体分离性能,CO₂的渗透系数为10.97 Barrer, CO₂/CH₄的选择性为42.21,分别较纯膜提升了59.9%和41.5%。     

Pebax/a-MoS2/MIP-202混合基质膜的制备及CO2分离性能

为了获得高性能的CO₂/N₂分离膜,把空气中氧刻蚀的二硫化钼（a-MoS₂）和金属有机框架材料MIP-202通过机械力化学反应制备的双功能填料作为分散相,聚醚嵌段酰胺（Pebax-1657）作为连续相,采用溶液浇铸法制备了Pebax/a-MoS₂/MIP-202混合基质膜。采用FT-IR表征了填料的化学结构,借助ATR-FTIR、SEM、TG和力学性能测试表征了混合基质膜的化学结构、微观形貌结构、热稳定性和物理力学性能。研究了水含量、双功能填料配比、含量、膜两侧压差和操作温度对膜气体分离性能的影响,并考察了模拟烟道气（CO₂/N₂体积比15/85）条件下混合基质膜的长时间运行稳定性。结果表明：在温度为25℃、膜两侧压差为0.1 MPa的操作条件下,a-MoS₂与MIP-202质量比为5∶5和双功能填料含量为6%（质量）时,膜的气体分离性能达到最优,CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性分别为380 Barrer和124.7,超过了2019年McKeown等提出的上限值。连续测试360 h后,混合基质膜的性能没有明显降低,其平均CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性分别为358 Barrer和120.1。这主要是由于a-MoS₂和MIP-202协同提高了膜的气体分离性能。     

Pebax/a-MoS2/MIP-202混合基质膜的制备及CO2分离性能

为了获得高性能的CO₂/N₂分离膜,把空气中氧刻蚀的二硫化钼（a-MoS₂）和金属有机框架材料MIP-202通过机械力化学反应制备的双功能填料作为分散相,聚醚嵌段酰胺（Pebax-1657）作为连续相,采用溶液浇铸法制备了Pebax/a-MoS₂/MIP-202混合基质膜。采用FT-IR表征了填料的化学结构,借助ATR-FTIR、SEM、TG和力学性能测试表征了混合基质膜的化学结构、微观形貌结构、热稳定性和物理力学性能。研究了水含量、双功能填料配比、含量、膜两侧压差和操作温度对膜气体分离性能的影响,并考察了模拟烟道气（CO₂/N₂体积比15/85）条件下混合基质膜的长时间运行稳定性。结果表明：在温度为25℃、膜两侧压差为0.1 MPa的操作条件下,a-MoS₂与MIP-202质量比为5∶5和双功能填料含量为6%（质量）时,膜的气体分离性能达到最优,CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性分别为380 Barrer和124.7,超过了2019年McKeown等提出的上限值。连续测试360 h后,混合基质膜的性能没有明显降低,其平均CO₂渗透性和CO₂/N₂选择性分别为358 Barrer和120.1。这主要是由于a-MoS₂和MIP-202协同提高了膜的气体分离性能。     

PEO/聚吡咯中空纳米微球混合基质膜的制备及其CO2渗透分离性能

采用壳层具有介孔结构的聚吡咯中空纳米微球作为填料，和聚氧化乙烯单体共混自由基聚合制备了混合基质膜。结果表明，聚吡咯微球与基质相容性较好，未见明显团聚现象和缺陷。混合基质膜的渗透系数随填料含量的增加先增大后减少，在0.5%处达到最大值，CO₂渗透系数增长31%；CO₂/N₂分离系数有所降低，CO₂/CH₄分离系数则变化不大。研究表明，由于聚合物链段对微球壳层的介孔填充，气体在膜内的扩散系数不升反降，渗透系数的提高主要是由于溶解度系数的变化，而这也导致了溶解选择性的变化，进而影响了分离系数。     

碳纳米管/环糊精金属有机骨架协同强化混合基质膜的CO2分离

为了实现混合基质膜中CO₂的高效分离,设计了羧基化多壁碳纳米管(CNT)和氨基化β-环糊精金属有机骨架(β-CD MOF)双填料(CM),并将其引入磺化聚醚醚酮(SPEEK)基质中,在膜内同时构建CO₂扩散通道和亲和位点,增强了混合基质膜的分离性能。采用FTIR和BET表征了CM的化学结构和孔结构,借助膜的SEM、FTIR和力学性能表征了填料-聚合物界面相互作用。研究了CM的合成比例、含量、压力、温度和混合气等因素对混合基质膜分离性能的影响。结果表明：CM与SPEEK之间具有良好的相容性并为气体分子提供了快速的传递通道。在改性CNT与MOF的质量比为5∶5、添加量为7%(质量)以及0.1 MPa和25℃的条件下,混合基质膜的分离性能最优,CO₂渗透性为844 Barrer,CO₂/N₂选择性为84,与纯SPEEK膜相比,分别提升了178%和163%,超过2019年上限。羧基化CNT的直孔通道缩短了CO₂的扩散路径,同时改性β-CD MOF表面的氨基载体提升了CO₂的溶解性,两者协同提高了混合基质膜的分离性能。此外,负载双填料的膜比单独负载相同含量的羧基化CNT或氨基化MOF的膜具有更好的分离性能。在360 h的测试过程中,混合基质膜保持较好的分离稳定性。     

碳纳米管/环糊精金属有机骨架协同强化混合基质膜的CO2分离

为了实现混合基质膜中CO₂的高效分离,设计了羧基化多壁碳纳米管(CNT)和氨基化β-环糊精金属有机骨架(β-CD MOF)双填料(CM),并将其引入磺化聚醚醚酮(SPEEK)基质中,在膜内同时构建CO₂扩散通道和亲和位点,增强了混合基质膜的分离性能。采用FTIR和BET表征了CM的化学结构和孔结构,借助膜的SEM、FTIR和力学性能表征了填料-聚合物界面相互作用。研究了CM的合成比例、含量、压力、温度和混合气等因素对混合基质膜分离性能的影响。结果表明：CM与SPEEK之间具有良好的相容性并为气体分子提供了快速的传递通道。在改性CNT与MOF的质量比为5∶5、添加量为7%(质量)以及0.1 MPa和25℃的条件下,混合基质膜的分离性能最优,CO₂渗透性为844 Barrer,CO₂/N₂选择性为84,与纯SPEEK膜相比,分别提升了178%和163%,超过2019年上限。羧基化CNT的直孔通道缩短了CO₂的扩散路径,同时改性β-CD MOF表面的氨基载体提升了CO₂的溶解性,两者协同提高了混合基质膜的分离性能。此外,负载双填料的膜比单独负载相同含量的羧基化CNT或氨基化MOF的膜具有更好的分离性能。在360 h的测试过程中,混合基质膜保持较好的分离稳定性。     

用于CO2/CH4分离的cPIM-1/ZIF-8混合基质膜的制备

自聚微孔聚合物（PIM-1）虽具有良好的CO₂渗透性能,但其气体选择性普遍较差,限制其在CO₂/CH₄分离领域的应用。本文以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂制备ZIF-8纳米粒子,将其引入到羧基化的PIM-1基质中,制备了cPIM-1/ZIF-8混合基质膜,用于CO₂/CH₄分离。结果表明：由于合成ZIF-8的溶剂也是cPIM-1的良溶剂,使得两者之间具有良好的界面相容性,从而使ZIF-8添加量高达质量分数45%。随着ZIF-8添加量的增加,膜的CO₂渗透速率持续增加,CO₂/CH₄选择性呈现先上升后下降的趋势。当ZIF-8添加量为质量分数25%时,膜的CO₂/CH₄分离性能最好,即CO₂渗透系数为3942 Barrer,CO₂/CH₄选择性为18.7,较cPIM-1纯膜分别提高了 84%和43%,成功地超越了Robeson分离上限。     

含开放金属位点MIL-101(Cr)掺杂的混合基质膜制备及其CO2分离性能

以结构中含有开放金属位点的MIL-101（Cr）作为填料与3种不同的聚合物复合制备了混合基质膜,从填料结构、聚合物性质及填料-聚合物界面状况等角度对混合基质膜的CO₂分离性能进行了分析。结果表明,由于MIL-101（Cr）较大的孔道尺寸以及结构中开放金属Cr（Ⅲ）位点与CO₂分子间的Lewis酸碱作用,其掺杂能够同时显著提高PSF膜的CO₂通量及分离因子。而当聚合物渗透性及选择性较高时,MIL-101（Cr）的掺杂仅提高了气体通量,CO₂分离因子则略有降低。当聚合物分子链柔性较大时,MIL-101（Cr）的表面孔道会被分子链堵塞,造成混合基质膜气体通量的显著下降。     

石墨烯基CO2分离膜通道微环境调控研究进展

石墨烯作为一种具有单原子层厚度的二维纳米片,凭借石墨烯基独特的物理性质,已成为高性能碳捕集膜的构筑单元。石墨烯基纳米片超薄的厚度有助于制备超薄膜以提升分离膜的通量,此外可调的物理化学性质赋予石墨烯二维通道内多样的微环境。以CO₂分离膜内多重传质机理为出发点,重点介绍近年来石墨烯基CO₂分离膜二维通道物理化学微环境精密调控的策略及进展,期望对石墨烯基CO₂分离膜的理性设计和可控制备提供清晰思路。     

Cu(Qc)2强化Pebax混合基质膜分离CO2

为了提高Pebax-1657的CO₂分离性能,本文制备了对CO₂有吸附作用的金属有机骨架Cu(Qc)₂,将其加入到Pebax-1657基质中,制备混合基质膜,用于CO₂的气体分离。通过扫描电子显微镜、热重分析、红外光谱和X射线衍射对溶液浇铸法制备的膜进行表征,通过膜的气体渗透性能测试考察填料含量、操作压力和混合气对膜气体渗透性能的影响。结果表明,Cu(Qc)₂在Pebax基质中随机有效地堆叠形成了高选择性的气体传输通道,极大地提高了CO₂/N₂的选择性。随着Cu(Qc)₂填充量的增加,CO₂渗透系数和CO₂/N₂选择性均呈现先上升后下降的趋势。当Cu(Qc)₂的质量分数为3%时,呈现最佳的CO₂/N₂分离性能,CO₂ 渗透系数和CO₂/N₂选择性分别为102Barrer和84,与Pebax-1657膜相比,分别提高了45.7%和40.0%,突破了Robeson分离上限,表明该混合基质膜在CO₂的分离应用上具有潜力。     

机械化学法合成小尺寸MOF填料助力高性能CO2分离

利用金属-有机骨架UTSA-280具有特定刚性尺寸的一维孔道可以筛分CO₂、CH₄、N₂的特性,采用机械化学研磨法减小其颗粒尺寸,将UTSA-280掺入聚砜（PSf）中制备MOF基混合基质膜,用于天然气提纯和烟道气CO₂捕获。结果表明,在PSf中掺入UTSA-280不仅可以增加聚合物的CO₂渗透通量而且提高了气体分离选择性。当UTSA-280掺杂量为30%（质量）时,混合基质膜对CO₂/CH₄、CO₂/N₂的分离因子分别为56.39和53.17,CO₂的渗透通量为18.61 Barrer,相对于PSf纯膜,选择性分别提高了47.3%和63.5%,CO₂渗透通量提高了128.9%,打破了“trade-off”效应。该工作通过引进具有分子筛分效应的MOF填料,能够增加气体通量的同时提高混合基质膜对含CO₂气体的分离性能,对天然气的提纯以及烟道气的CO₂的捕获有重要意义。     

聚乙烯胺/埃洛石纳米管混合基质膜的制备及其CO2/N2分离

制备高性能的气体分离膜,是实现CO₂高效回收的关键。为了提高CO₂分离膜的性能,将中空管状结构的埃洛石纳米管（HNTs）添加到聚乙烯胺（PVAm）中配制涂膜液,并将PVAm-HNTs涂膜液涂覆到聚砜（PSf）超滤膜上制备PVAm-HNTs/PSf混合基质膜。其中PSf超滤膜作为支撑层,PVAm-HNTs致密涂层作为功能层,功能层结构与形态对CO₂分离具有关键作用。采用XRD、SEM对HNTs的结构与形态进行表征,并借助FTIR和SEM对膜的形态与结构进行分析。在进料气为纯气条件下,系统地研究了HNTs添加量、进料压力、PVAm-HNTs涂层厚度对PVAm-HNTs/PSf膜的CO₂分离性能影响,并考察了混合基质膜的CO₂/N₂混合气分离性能。结果显示：在水溶液中显示正电性的PVAm与负电性的HNTs具有较好的界面相容性。HNTs添加量为1%（质量）、PVAm-HNTs湿涂层厚度为50 μm的混合基质膜,表现出最优的CO₂分离性能。在进料气压力为0.1 MPa、测试温度为25℃、CO₂/N₂（15/85,体积比）混合气进料的条件下,膜的CO₂渗透速率为178 GPU,CO₂/N₂选择性为83;该膜具有较好的稳定性,经过120 h运行后,渗透性和选择性仍能保持稳定。     

MOFs基材料制备混合基质膜用于O2/N2分离的研究进展

金属有机框架（metal-organic frameworks,MOFs）材料具有多孔、孔径易于调节、高的比表面积等优点，用于改善传统聚合物膜的缺点，制得的混合基质膜具有较好的气体分离性能。混合基质膜中的填料和聚合物基质的性质、填料和聚合物基质间的界面相互作用等影响着膜的气体渗透性和选择性，本文着重介绍混合基质膜中填料尺寸、形貌和聚合物性质对混合基质膜气体分离性能的影响，以及相应的改性方法，为氧氮分离的MOFs基混合基质膜提供新的思路。     

金属有机骨架材料在CO2/CH4吸附分离中的研究进展

CO₂/CH₄分离能耗高是生物甲烷过程核心难题之一。金属有机骨架材料（metal organic frameworks,MOFs）由于其优异的CO₂吸附分离性能,被视为最具潜力的CO₂分离捕集材料,近年来引起了广泛的关注。本文结合沼气的特点和MOFs研究的最新进展,对MOFs材料在CO₂/CH₄吸附分离过程的相关实验研究工作进行了综述。     

PEBA/氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备及CO2分离性能研究

为了获得高性能的混合基质膜,有效捕集烟道气中的CO₂,设计了对CO₂有优异的扩散选择性和吸附选择性的氮硫共掺杂多孔碳球添加剂,实现了烟道气中CO₂/N₂的高效分离。选用表面含氧基团丰富的葡萄糖作为碳源,硫脲作为氮源和硫源,通过水热法制备了氮硫共掺杂碳球（NSC）,并用KOH活化,获得了具有多孔结构的氮硫共掺杂碳球（NSPC）,再加入聚醚嵌段酰胺（PEBA）中制备出PEBA/NSPC混合基质膜。采用FTIR、XRD和BET表征了材料的化学结构和孔结构,借助力学性能表征了膜的两相界面相容性。系统研究了PEBA/NSPC混合基质膜中葡萄糖与硫脲的质量比、NSC和KOH的质量比、NSPC的添加量、操作压力、操作温度,以及模拟烟道气条件对膜CO₂渗透性、CO₂/N₂选择性的影响。结果表明：NSPC材料成功实现了氮、硫元素的共掺杂,而且具有较好的孔结构。在操作温度25℃、操作压力0.2 MPa的条件下,混合基质膜中NSPC添加量为3%（质量）时气体分离性能最优,CO₂渗透系数和CO₂/N₂选择性分别为589 Barrer和64,相比纯PEBA膜分别提高了244%和139%。这是因为多孔碳球的微孔结构显著提高了CO₂的扩散选择性,同时氮、硫元素的掺杂因为酸碱相互作用和良好亲和性有效提高了CO₂的吸附选择性。稳定性实验表明,PEBA/NSPC混合基质膜在360 h连续运行过程中气体分离性能稳定,具有较好的工业应用前景。     

二硫化钼纳米片基水处理纳滤/反渗透膜研究进展

二硫化钼（MoS₂）纳米片的层内固有缺陷以及层间纳米限域通道的存在,有利于提高水处理纳滤/反渗透（NF/RO）膜的渗透选择性。本文首先介绍了MoS₂纳米片的“三明治”结构,其具有易功能化、高吸附容量和氧化还原去除能力、层间纳米限域通道的光滑性和稳定性及抗污染等特性;然后重点综述了MoS₂基纳米孔膜、层叠膜和混合基质膜的制备方法及膜性能的影响因素;最后总结了MoS₂纳米片基水处理NF/RO膜未来发展亟待解决的关键问题,主要包括研究大尺寸纳米片和均匀亚纳米孔的可控制备方法,开发超薄、高度有序的MoS₂分离层构建方法,探索层间纳米限域通道内分子和离子的传输行为和潜在的分离机理,开发增强与聚合物基质界面相容性的改性策略,对下一代高性能水处理NF/RO膜的研发具有启发意义。     

改善无机填料混合基质膜气体分离性能的研究进展

混合基质膜（MMMs）是结合了无机填料和有机基质特点的一类膜材料,因其在气体分离应用上具有良好的渗透通量和分离性能被广泛关注。无机填料诸如二氧化硅纳米颗粒球、沸石分子筛、金属有机框架（MOF）、氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNT）均被广泛应用于混合基质膜的制备,但是碍于无机填料在有机相中的分散性问题、两相相容性问题和界面缺陷问题,常会导致较差的气体分离性能。针对近年通过对无机填料进行表面官能化修饰、共价交联、多元填充、调控形貌等来改善混合基质膜气体分离性能的研究进行总结和阐述,并对其未来的发展趋势进行了展望。     

离子液体/金属有机框架复合材料捕集分离CO2

由于全球气候变化加剧和极端天气的增加,CO₂捕集分离已经不单单具有重要的战略意义,更关乎人类的生存。近年来,用于捕集分离CO₂的新型材料层出不穷,其中,离子液体(ionic liquids,ILs)具有可调变的化学结构和独特的物理化学性质,例如低挥发性、高热稳定性和较好的溶解性,从而引起了广泛关注。同时,金属有机框架结构材料(metal-organic frameworks,MOFs)在CO₂捕集分离方面也表现出优异性能。基于此,本文总结了ILs与MOFs相结合的ILs/MOFs复合材料捕集分离CO₂的研究进展,主要包括ILs负载于MOFs材料和对MOFs进行改性的吸附分离、MOFs材料分散于ILs中形成多孔液体的吸收分离、膜分离等方法的研究现状,同时,深入探讨了各方法的优点和不足之处,并对ILs/MOFs复合材料在CO₂捕集分离中的应用前景和发展趋势进行了展望。