MOFs/PEI混合基质膜的制备及CO2分离性能研究

二氧化碳的分离和捕获对可持续发展具有重要意义。聚醚酰亚胺(PEI)具有优异的耐溶剂、耐高温、选择性高等优势，然而CO₂渗透性能低成为限制其进一步发展的关键瓶颈。通过引入2种三维MOFs颗粒[UIO-66和MIL-101(Cr)]及2种二维MOFs纳米片[CuBDC和Zn₂(bim)₄]制备了4种MOFs/PEI混合基质膜(MMMs),对膜的物理化学性质及CO₂分离性能展开深入研究。结果表明MOFs的引入大幅提高了PEI膜的CO₂扩散系数及分离性能，并改善了PEI膜的抗CO₂塑化性能。同时，相比三维MOFs颗粒，二维CuBDC纳米片与PEI表现出更高的相容性，其填料含量为20%时MMMs的CO₂渗透通量相比纯PEI膜提高了3.5倍，其CO₂/CH₄选择性提高了2.2倍。以二维MOFs纳米片为功能性填料制备混合基质膜用于CO₂分离是一种有效的策略。     

石墨烯基材料在CO2分离膜领域的研究进展

节能高效的CO₂分离技术的开发具有重要的现实及长远意义,膜法CO₂分离在该领域备受关注,具有优异传质特性的新型分离膜材料对膜分离过程有决定性的影响。近年来,石墨烯及其衍生材料因独特的单原子层厚度、亚纳米级别的孔道结构以及优异的机械、化学和热稳定性,成为气体分离膜领域的研究热点,膜的加工难度、技术成本、大面积制备、工作稳定性等问题是限制其实际应用的关键因素。石墨烯基CO₂分离膜主要有三种形式：纳米孔石墨烯膜、层状结构氧化石墨烯膜、基于石墨烯及其衍生材料的混合基质膜。本文综述了石墨烯基CO₂分离膜领域的突破性研究进展,重点介绍了气体的跨膜传质机理和膜的构性关系,总结了膜性能的优化思路和原理,梳理了石墨烯基CO₂分离膜发展面临的挑战,提出了潜在的研究方向。分析表明,进行系统的理论研究,采用先进的表征手段,以建立膜构性关系的理论模型,指导膜结构设计是未来研究的重点。此外,进一步降低膜加工成本,充分研究膜在实际工作环境中的稳定性也至关重要。     

自支撑石墨烯炭膜的制备及气体分离性能

通过溶剂蒸发法得到聚酰胺酸（PAA）与氧化石墨烯（GO）的复合石墨烯膜,并经600℃炭化制备了具有良好柔韧性的仿贝壳珍珠层结构的自支撑石墨烯炭膜。通过X射线衍射和场发射扫描电镜对薄膜微观结构进行表征,并测试不同PAA固含量制备的石墨烯炭膜对CO₂和CH₄的分离性能。结果表明,炭化后,GO被还原成石墨烯,呈层状堆叠,堆叠的层间填充了空穴和残炭;石墨烯炭膜的CO₂渗透通量和CO₂/CH₄分离理想选择性随PAA加入量增加,CO₂通量最高可达824 barrer,此时CO₂/CH₄理想选择性达38.9。石墨烯层骨架和碳分子筛构成石墨烯炭膜的气体传输通道,本研究成果为柔性自支撑气体分离炭膜的制备开辟了新思路。     

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。     

超临界CO2剥离法制备石墨烯的过程强化研究

石墨烯因其独特的二维结构和优异的物理性能在众多领域中引起了广泛的关注,高质量石墨烯的制备是实现其应用价值的前提。尽管目前石墨烯的制备方法较多,但是开发绿色、低成本、规模化制备方法的道路仍然充满挑战。物理法剥离石墨能够实现高结晶石墨烯的制备,特别是超临界CO₂流体具有廉价、绿色、稳定、易分离且可重复利用的优势,在石墨烯制备上展现出巨大的应用潜力。以超临界CO₂制备石墨烯为出发点,梳理了近年来超临界CO₂法剥离石墨制备石墨烯的研究进展,重点阐述了制备过程中的强化剥离手段,期望对未来石墨烯材料的制备提供思路。     

煤基石墨烯系列材料的可控制备及其在CO2还原过程中的应用进展

石墨烯作为一种结构、性能独特的二维碳材料在CO₂还原转化过程中展现出良好的应用前景,寻找石墨烯丰富的碳质前驱体和可控制备方法是实现其大规模应用的基础。煤炭作为一种富碳矿物资源,含有丰富的官能团和高芳香度纳米石墨微晶结构。以煤炭及其衍生物为碳源制备高附加值石墨烯材料具有独特优势,是同时实现煤炭材料清洁化利用和石墨烯低成本实际应用的重要途径。针对不同变质程度煤种,从化学组成和煤质结构出发,通过适当的分子剪裁和化学结构组装,成功实现了系列多尺度、多形态煤基石墨烯材料的可控制备。常用的制备方式包括：机械力剪切、化学插层氧化、电化学剥离、气相沉积、阳极电弧放电及液相自组装等。如通过化学氧化或超声物理剪裁煤大分子结构制备零维石墨烯量子点;煤炭热解得到的含碳烃类小分子气体通过化学气相沉积制备二维石墨烯薄膜;煤炭高温石墨化后通过物理或化学剥离得到二维石墨烯纳米片;二维石墨烯经过结构自组装制备三维石墨烯气凝胶。由于煤基石墨烯的组成及其表界面结构具有易调控、可修饰等特性,其在CO₂还原过程中展现出良好的催化活性。通过总结煤基石墨烯系列材料在CO₂     

一步法制备含氨基化合物的非对称CO2分离膜

采用一步相分离法,制备以聚醚砜（PES）为主体材料,二乙醇胺（DEA）为添加剂和氨基载体的膜,用于CO₂分离。考察了PES浓度、DEA浓度、膜厚度对CO₂/N₂分离性能的影响,同时考察了膜性能的长时间稳定性。当涂膜液中DEA/PES的质量比为12/26、刮刀与无纺布的距离为300 μm、进料气压力为0.11 MPa（表压）时,膜的CO₂渗透速率可达274 GPU,CO₂/N₂分离因子可达50。测试温度低于40℃时,DEA/PES膜的CO₂渗透速率和CO₂/N₂分离因子保持稳定。另外,对CO₂/N₂分离性能较好的DEA/PES膜（质量比为12/27）进行CO₂/CH₄分离性能测试,在1 MPa（表压）下性能优于商品膜。上述结果表明,本文研制的DEA/PES膜制备步骤简单,易于规模化制备,性能较优,在CO₂分离领域具有良好的应用前景。     

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。     

二次生长法制备ZIF-8膜及其对CO2/N2的分离性能

采用二次生长法在α-Al₂O₃载体上制备超薄型ZIF-8膜,研究了多种轻分子气体以及混合气体CO₂/N₂的渗透分离性能。通过SEM和XRD表征了ZIF-8晶种层的晶种涂布状态,以及ZIF-8晶体膜的生长覆盖度和晶膜厚度。研究结果表明：采用低浓度的晶种悬浮液通过浸润式连续多次涂布法,有利于获得晶种层厚度均匀且覆盖度高的超薄均匀ZIF-8晶种层,经过二次生长后所得ZIF-8膜的覆盖度高、厚度均匀且较薄,仅约为8.8 μm;在所测试范围内的CO₂/N₂混合气体中,此ZIF-8膜对CO₂具有优先选择透过性,其对CO₂/N₂的渗透分离因子随温度的升高而降低,随渗透压力的增加而增加,在298 K、406 kPa和CO₂组分含量为50%时,该分离因子能达到6,显著超过Knudsen扩散的分离系数。     

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%。     

Metal-organic framework-based CO2 capture: from precise material design to high-efficiency membranes

A low-carbon economy calls for CO₂ capture technologies. Membrane separations represent an energy-efficient and environment-friendly process compared with distillations and solvent absorptions. Metal-organic frameworks (MOFs), as a novel type of porous materials, are being generated at a rapid and growing pace, which provide more opportunities for high-efficiency CO₂ capture. In this review, we illustrate a conceptional framework from material design and membrane separation application for CO₂ capture, and emphasize two importance themes, namely (i) design and modification of CO₂-philic MOF materials that targets secondary building units, pore structure, topology and hybridization and (ii) construction of crack-free membranes through chemical epitaxy growth of active building blocks, interfacial assembly, ultrathin two-dimensional nanosheet assembly and mixed-matrix integration strategies, which would give rise to the most promising membrane performances for CO₂ capture, and be expected to overcome the bottleneck of permeability-selectivity limitations.     

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。     

New high permeable polysulfone/ionic liquid membrane for gas separation

In this study, the effects of 1-Ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ionic liquid on CO₂/CH₄ separation performance of symmetric polysulfone membranes are investigated. Pure polysulfone membrane and ionic liquid-containing membranes are characterized. Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) is used to analyze surface morphology and thickness of the fabricated membranes. Energy dispersive spectroscopy (EDS) and elemental mapping, Fourier transform infrared (FTIR), thermal gravimetric (TGA), X-ray diffraction (XRD) and Tensile strength analyses are also conducted to characterize the prepared membranes. CO₂/CH₄ separation performance of the membranes are measured twice at 0.3 MPa and room temperature (25 °C). Permeability measurements confirm that increasing ionic liquid content in polymer-ionic liquid membranes leads to a growth in CO₂ permeation and CO₂/CH₄ selectivity due to high affinity of the ionic liquid to carbon dioxide. CO₂ permeation significantly increases from 4.3 Barrer (1 Barrer=10^-10 cm³(STP)·cm·cm^-2·s^-1·cmHg^-1, 1cmHg=1.333kPa) for the pure polymer membrane to 601.9 Barrer for the 30 wt% ionic liquid membrane. Also, selectivity of this membrane is improved from 8.2 to 25.8. mixed gas tests are implemented to investigate gases interaction. The results showed, the disruptive effect of CH₄ molecules for CO₂ permeation lead to selectivity decrement compare to pure gas test. The fabricated membranes with high ionic liquid content in this study are promising materials for industrial CO₂/CH₄ separation membranes.     

石墨烯基光催化复合材料研究进展

简单介绍石墨烯的结构和性质,简述石墨烯及石墨烯基光催化复合材料的制备方法,对近些年石墨烯基光催化复合材料在染料降解、有机污染物氧化、无机污染物处理、CO2还原、光催化裂解水产氢方面的研究进行综述。     

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。