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。     

氨基MIL-101(Cr)强化CO2分离性能的混合基质膜优化制备

金属有机骨架MIL-101(Cr)是大孔径、高孔隙率的新型膜材料,可显著提升混合基质膜的CO₂渗透性,但其掺杂会明显降低选择性,有两方面原因：有机配体的CO₂亲和性较低;填料干燥活化后再分散性差,易团聚形成缺陷。对此,首先以氨基对苯二甲酸为配体合成氨基MIL-101(Cr),提高溶解选择性,再采用先浇铸-后活化的制膜工艺,减少团聚缺陷。红外测试表明氨基填料成功合成;扫描电镜表明膜中填料分布均匀。掺杂15%(质量)氨基MIL-101(Cr)的乙基纤维素混合基质膜,CO₂渗透系数达到200 barrer,比MIL-101(Cr)膜提高11.2%,较纯聚合物膜提高133.1%;同时,CO₂/N₂选择性达到23.9,比MIL-101(Cr)膜提高25.8%,较纯聚合物膜提高17.1%。综上,采用先浇铸-后活化的制膜工艺掺杂氨基MIL-101(Cr)填料,可同时提高混合基质膜的CO₂渗透性和选择性。     

混合基质膜在碳捕集领域的研究进展

膜分离技术因其低成本、低能耗及高效率的优势被认为是最具有前景的碳捕集技术之一。混合基质膜结合了有机材料与无机材料两方面的优势,是同时提升渗透性和选择性的有效手段。本文从气体在混合基质膜中的传递机制出发,以常见的无孔型与多孔型无机填料为基础,总结了近年来混合基质膜在二氧化碳捕集领域的研究进展,介绍了不同类型的填料在高分子基质中所起到的微结构调节作用,并着重阐述了在混合基质膜制备过程中无机填料与高分子基质之间所存在的相容性问题及其解决方法。最后,提出混合基质膜应在继续致力于填料结构设计、填料分散、构效关系等方面的同时,加强二维填料、微囊填料和促进传递机制等方面的研究。     

金属有机骨架混合基质水处理分离膜研究进展

金属有机骨架（MOFs）晶体由无机金属离子和有机配体通过自组装合成,具有高的孔隙率和可调节的窗口尺寸,可使MOFs混合基质膜在水处理时同步获得高通量和高截留率,有望突破传统分离膜的渗透性和选择性之间此消彼长的trade-off效应。本文综述了MOFs的典型构造、影响MOFs混合基质膜性能的关键因素、MOFs混合基质膜的制备方法、MOFs颗粒改善混合基质膜水传输和溶质分离性能的原理以及MOFs混合基质膜在水处理微滤/超滤、纳滤/反渗透和正渗透领域的最新研究进展。最后总结了MOFs混合基质膜在水处理领域的未来发展亟待解决的关键问题,主要包括高性能、低成本膜的可控制备、膜结构和性能之间定量构效关系的深入探索以及如何拓宽其应用范围等,对加快MOFs混合基质膜的产业化进程具有指导意义。     

功能化材料设计制备混合基质膜及CO2分离性能研究进展

混合基质膜的研究给气体膜分离技术应用的产生了质的飞跃,但混合基质膜存在的问题对其发展也产生了一定的影响.以有机高分子基体入手介绍了混合基质膜的研究进展,着重解决混合基质膜中存在的两大问题,并提高膜的CO2渗透性和选择性.最后,提出混合基质膜应用于实际生产生活中需突破的限制点.     

含有MCM-41分子筛的混合基质复合膜用于CO2分离

为了提高CO₂分离膜的性能,将接枝了氨基的MCM-41分子筛(MCM-NH₂)添加到聚乙烯基胺(PVAm)水溶液中配制涂膜液,并将PVAm-MCM-NH₂涂膜液涂覆到聚砜(PSf)超滤膜上制备PVAm-MCM-NH₂/PSf混合基质复合膜。复合膜分离层较薄,有利于CO₂渗透速率的提高。接枝的胺基提高了分子筛与聚合物的相容性和膜内胺基含量,有利于膜渗透选择性能的提高。使用CO₂/N₂混合气(15% CO₂ + 85% N₂,体积分数)考察了不同MCM-NH₂添加量的PVAm-MCM-NH₂/PSf膜的渗透选择性能。当涂膜液中m_MCM-NH2/m_PVAm为0.2、湿涂层厚度为50 μm,测试温度为22℃ 、进料气压力为0.11 MPa时,膜的CO₂渗透速率可达4.66×10^-7 mol·m^-2·s^-1·Pa^-1,CO₂/N₂分离因子可达150。较高的CO₂/N₂分离性能表明PVAm-MCM-NH₂/PSf膜在烟道气碳捕集领域具有良好的应用前景。此外,考察了湿涂层厚度、热处理、添加小分子胺等条件对膜渗透选择性能的影响。     

Cu-BTC/乙基纤维素混合基质膜的快速制备及气体分离性能

金属有机骨架Cu-BTC广泛用于气体分离混合基质膜的制备。为了避免混合基质膜传统制备方法周期较长的缺点,本实验将Cu-BTC前体分别与乙基纤维素（EC）溶液混合后进行反应,实现了Cu-BTC在EC溶液中的快速合成。并利用这一特性制备了Cu-BTC/EC膜。利用扫描电子显微镜、X射线晶体衍射、红外吸收光谱对产品表征,确定了Cu-BTC在膜中的分布情况。实验发现EC浓度的提高对Cu-BTC前体的反应有明显的促进作用。通过Cu-BTC/EC膜的热性能和力学性能测试,发现Cu-BTC和EC的界面强度随Cu-BTC含量的提高先增加后降低。在Cu-BTC质量分数为26%时,膜的CO₂渗透系数为112.3barrer,相对于纯EC膜（66.3barrer）提高了69%,且CO₂/CH₄和CO₂/N₂选择性几乎没有下降。最后考察了测试压力对气体渗透系数的影响,结果表明Cu-BTC/EC膜相对于纯EC膜具有更好的耐CO₂溶胀能力。     

基于MOFs的混合基质膜在渗透汽化中的研究进展

渗透汽化技术因节能、高效等优势被广泛应用于液体分离领域。金属有机骨架(MOFs)由于其高比表面积和高孔隙率、与聚合物相容性良好等特性而成为制备用于渗透汽化的混合基质膜最有前景的材料之一。简述了MOFs的概念和种类;总结了用于渗透汽化的混合基质膜对MOFs的选择标准,并综述了基于MOFs的混合基质膜在渗透汽化中的应用;最后提出基于MOFs的混合基质膜在工业放大方面存在的一些问题,同时展望了其未来在渗透汽化分离液体混合物方面的应用前景。     

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。     

Zeolite imidazolate framework (ZIF)-based mixed matrix membranes for CO2 separation: A review

Mixed matrix membranes (MMMs), which combine the good separation performance of inorganic materials with the low cost of polymers, have emerged as a research hotspot for gas separation membranes. Zeolite imidazolate frameworks (ZIFs) are widely used as fillers to prepare MMMs owing to their advantageous characteristics, such as adjustable pore channels, unsaturated sites, and easy functionalization. For MMMs, three directions can be employed as criteria for improvement compared with pristine polymeric membranes. In this article, the progress of ZIF-based MMMs is reviewed from the aspects of sole-ZIF-based MMMs and modified ZIF-based MMMs. Both strategies improve the separation performance through different improvement directions and mechanisms. Our analysis shows that the synergistic effect of the modified filler can change the structure of the membranes, such as by improving the filler–polymer interface voids, which provides a foundation to overcome the trade-off effect to a certain extent. © 2020 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2020 , 137, 48968.     

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。     

Synthesis of PEO/hollow polypyrrole nanoparticle mixed matrix membranes for CO2 separation

The hollow polypyrrole nanoparticle with porous shell was incorporated into poly(ethylene oxide) monomer to fabricate the mixed matrix membrane by free radical polymerization. Morphology of the membranes showed the polymeric filler had good interfacial compatibility with the polymeric matrix without obvious defect. The results showed that the gas permeability of membranes increased at first and then decreased as the filler loading increased, while the permselectivity of CO₂/N₂ decreased_{andthat of CO2/CH4 maintained constant basically. The research showed that the diffusion coefficients decreased due to the blockage of the pore in shell of nanoparticles by polymeric matrix, the improvement of the gas permeability was mainly contributed by the improvement of the solubility coefficient, which also affected the solubility selectivity and then the permselectivity. The optimum nanoparticle loading was around 0.5%. In this case, the permeability of CO2 was about 6.5×10^-11 cm³?cm?cm^-2?s^-1?Pa^-1 (31% higher than the pristine polymeric membranes), while the permselectivity of CO2/N2 was about 30 (34% lower than that of the pristine polymeric membranes) and the permselectivity of CO2/CH4 was about 14 without significant sacrifice. The result showed the polypyrrole nanoparticles with porous shell was potential for application in CO2/CH4 separation.}     

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。     

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。