Zn/Cu单晶转换MOF材料的CO2/CH4分离性能研究

CO₂的捕获和分离具有重要的工业和环境意义。采用溶剂热法,以羧基和路易斯碱位点功能修饰的配体和锌离子构筑了阴离子型金属有机框架材料{[Zn₂(N)·(DMF)₃·(CH₃)₂NH₂]·(DMF)₂}_n (NEM-7-Zn)。为了提高骨架的稳定性,通过金属离子置换工艺,将NEM-7-Zn转化为高稳定性的铜基框架材料NEM-7-Cu。采用EA、PXRD、TGA及比表面积分析等技术对多孔材料进行综合表征,并测定了NEM-7-Cu对二氧化碳、乙炔和甲烷单组分气体的吸附等温线。实验结果表明,NEM-7-Cu不仅具有较高的CO₂ 吸附性能（74 cm³·g^-1）,更表现出优异的CO₂/CH₄（11.5）和C₂H₂/CH₄（7.1）吸附选择性。通过巨正则Monte Carlo方法（GCMC）计算得到CO₂在NEM-7-Cu中的主要吸附位点为功能基团羧基与路易斯碱位点附近以及Cu的金属团簇附近。     

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。     

锆基MOF次级结构单元调控及轻烃吸附分离性能增强

从天然气中回收C₂/C₃轻烃组分具有重要的工业价值,吸附分离技术可在常温常压下实现轻烃的回收。对MOF材料进行次级结构单元（SBU）调控,可在继承其晶体结构和发达孔道的同时,优化孔道化学微环境并引入新的吸附位点。使用三嗪（TZ）取代Zr-TBAPy(NU-1000)SBU中的配位水分子,在其孔道内构筑对轻烃吸附质具有更强限域作用的碱性表面化学微环境,得到了高选择性的新型TZ@Zr-TBAPy吸附剂。TZ的引入在分子尺度上提高了孔道的表面粗糙度,同时强化对轻烃吸附质的限域作用,提高材料对烷烃的吸附容量和选择性。常温常压下,TZ@Zr-TBAPy对丙烷和乙烷的吸附容量分别为10.08和4.19 mmol?g^-1,比Zr-TBAPy提高了27%和9%,是目前国际上已报道的丙烷吸附容量最高的吸附剂之一。此外,丙烷/甲烷的IAST选择性为1518,是原材料的6.27倍;乙烷/甲烷的IAST选择性为11.7,比原材料提高了22%。更为重要的是,以TZ@Zr-TBAPy吸附剂为核心的固定床吸附过程可实现在常温常压天然气中乙烷和丙烷的一步分离回收。     

MOF作模板制备多孔Au/CuxO催化剂及其CO氧化性能

采用MOF材料作模板,通过在Cu-BTC材料表面预先负载贵金属Au再热解的方法,成功制备了具有正八面体结构的新型多孔Au/Cu_xO负载型催化剂。通过降低热解环境中的O₂浓度,调节氧化时间,实现了Au/Cu-BTC氧化产物组分的调节,分别制得了Au/Cu₂O、Au/Cu₂O-CuO、Au/CuO复合催化材料。将其用于CO催化氧化,发现所有Au/Cu_xO催化剂都表现出比Cu-BTC和Au/Cu-BTC更优异的催化性能,其中由于拥有较高的比表面积、Cu₂O含量以及更好的Au的分散性,Au/Cu₂O的CO氧化活性最佳,180℃即能实现CO的完全转化。     

分离天然气中CO2的无机混合膜

英国Clear Process公司正在生产一种无机混合膜（IHM）模件。用这种IHM可以分离天然气中的CO2和酸性气体，所需要的表面积（80m^2）仅为聚合物膜的（〈600m^2）的15%。到目前为止，根据3年的试验结果，选择性很高：在350℃的CO2／CH4的选择性为150，因为渗透率很高，在350℃时大于4×10^-7molCO2m^2s·Pa，即使在处理量很大时压力降也很小。     

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。     

金属有机骨架用于CO2的吸附和转化

近年来,大气中CO2的迅速增加威胁着人类社会和自然环境.通过催化剂将CO2转化为高附加值化学品的碳转化技术是解决该问题的有效途径.金属有机骨架(metal-organic framework,MOF)是一种比表面积大,孔结构高度有序,拓扑类型多样,稳定性好的材料.MOF材料的特性使其具有广阔的应用前景,包括气体吸附、存...     

MOFs材料在C2H2存储及吸附分离中的研究进展

针对当前工业中存在的乙炔(C_2H_2)及含C_2H_2二元组分气体的存储与高效分离问题,梳理了近年来金属有机骨架材料(MOFs)对C_2H_2气体的吸附存储和分离研究。重点比较了含C_2H_2的二元组分气体与MOFs材料之间的构效关系及分离不同二元组分气体所用MOFs材料的筛选条件与设计原则,以期实现MOFs材料对C_2H_2的高效分离,达到对C_2H_2的纯化及存储效果,促进未来MOFs材料在该领域的发展。最后展望了MOFs材料在此方面的应用前景。     

Pseudopeptide bioconjugate additives for CO2 separation membranes

1:1[α/α‐N^α‐Bn‐hydrazino] pseudopeptide?polymer bioconjugates were synthesized and investigated as additives in a reference gas separation membrane (Pebax®) for CO₂ capture. Pebax® is a polyether block amide thermoplastic elastomer provided by Arkema and is already well known for its good performance for CO₂ separations. First, dimer and tetramer pseudopeptides were synthesized and their terminal amine was modified into a ‘clickable’ alkyne group in view of coupling. Second, an α‐azido acrylic poly(ethylene glycol)‐based oligomer was obtained by single‐electron transfer living radical polymerization and the two partners were coupled using copper(I) catalyzed alkyne‐azide cycloaddition (CuAAC) ‘click’ chemistry. The pseudopeptides and their bioconjugates were then assessed as original additives in Pebax® membranes for CO₂/CH₄ and CO₂/N₂ separations. The permeation data were analyzed according to the solution‐diffusion model. Compared to pseudopeptides, the pseudopeptide?polymer bioconjugates enabled the membrane properties to be greatly improved with better permeability (×1.5) and a good constant selectivity for CO₂ capture. The best membrane properties were obtained with 3 eq. wt% of the tetramer‐based bioconjugate with a CO₂ permeability of 194 Barrer (+46% compared to that of Pebax®) and constant selectivity (αCO₂/N₂ = 44 and αCO₂/CH₄ = 13). © 2016 Society of Chemical Industry     

Tubular MXene/SS membranes for highly efficient H2/CO2 separation

Accurately constructing membranes based on two-dimensional (2D) materials on commercial porous substrates remains a significant challenge for H₂ purification. In this work, a series of tubular 2D MXene membranes are prepared on commercial porous stainless steel substrates via fast electrophoretic deposition. Compared with other methods, such as filtration or drop coating, and so on. such preparation route shows the advantages of simple operation, high efficiency for membrane assembly (within 5 min) with attractive reproducibility, and ease for scale-up. The tubular MXene membranes present excellent gas separation performance with hydrogen permeance of 1290 GPU and H₂/CO₂ selectivity of 55. Furthermore, the membrane displays extremely stable performance during the long-term test for more than 1250 h, and about 93% of the membranes from one batch have exceeded the DOE target for CO₂ capture. Most importantly, this work provides valuable referential significance for other 2D materials-based membranes for future application development.     

Experimental Evaluation of the Adsorption,Diffusion, and Separation of CH4/N2 and CH4/CO2 Mixtures on Al-BDC MOF

Adsorption equilibrium, thermodynamics, and kinetics of CH₄, N₂, and CO₂ were investigated by volumetric-chromatographic and inverse gas chromatographic (IGC) methods on the Al-BDC MOF. The binary adsorption data from the volumetric-chromatographic experiments represents that the Al-BDC MOF has a high CO₂/CH₄ selectivity ca. 11 and a CH₄/N₂ selectivity ca. 4.3 at 303 K, and appears to be a good candidate for the CH₄ separation. The initial adsorption heats of CH₄, N₂, and CO₂ on the Al-BDC MOF were determined to be 15.3, 11.5, and 32.2 kJmol^?1 by IGC method, respectively. Moreover, the micropore diffusivities of N₂, CH₄ and CO₂ in the Al-BDC MOF at 303 K were also estimated to be 1.58 × 10^?7 cm²/s, 7.04 × 10^?8 cm²/s, and 3.95 × 10^?9 cm²/s, respectively. The results indicate that micropores play a crucial role in the adsorptive separation of the CH₄/N₂ and CH₄/CO₂ mixtures, and the IGC method is a validity manner to estimate the thermodynamic and kinetic parameters of MOF adsorbents.     

Mixed oxygen ionic-carbonate ionic conductor membrane reactor for coupling CO2 capture with in situ methanation

CO₂ methanation is one of the vital reactions to utilize CO₂ and realize power to gas process. To decrease the CO₂ capture cost and alleviate the hot spots during the strong exothermic methanation reaction, here, we report a coupling of CO₂ capture process with in situ CO₂ methanation process through a ceramic-molten carbonate (MC) dual phase membrane reactor over the Ni-based catalyst. The performance of the membrane reactor was systematically investigated and compared with the traditional fixed-bed reactor. The results show that the performance of the membrane reactor is higher than that of the fixed-bed reactor, since the produced steam through the methanation process can be partially removed through the dual-phase membrane, which promotes the reaction shift to right side. A stability test shows no obvious degradation within 32 h. These results indicate that the membrane reactor is promising for coupling CO₂ capture with in situ methanation process.     

多孔液体在CO2捕集与利用领域的研究进展

为助力中国早日实现“双碳目标”,深入落实化工领域绿色低碳可持续发展的重要举措,吸附-吸收耦合有望成为气体分离的绿色变革性分离技术,其关键是高性能吸附（收）材料的开发。多孔液体（PLs）作为一类具有永久孔隙的液体材料,兼具了液体吸收剂的易于管道输送、传质传热效果好等优点和固体吸附剂的高比表面积、高孔隙率等优点,有望成为新一代CO2捕集的绿色变革性介质。该文首先简单介绍了多孔液体发展脉络;然后,重点聚焦于多孔液体在CO2的吸附/吸收、膜分离、催化转化等领域的应用展开探讨,并对多孔液体性能和优缺点进行分析归纳。最后,对多孔液体目前面临的挑战和未来发展趋势进行了展望。     

界面聚合制备含丙烯氧基团的复合膜用于CO2分离

含有醚氧基团的膜与CO₂分子具有较强的极性作用,可以实现对CO₂/N₂物系的高效分离.其中,含丙烯氧(PO)基团的聚合物链段自由体积较大且不易结晶,是一类具有发展潜力的溶解选择性膜材料.以均苯三甲酰氯为油相单体,含PO基团的多胺为水相单体,通过界面聚合,成功制备了含PO基团的复合膜.分别采用聚醚胺D400、D230及T403为多胺水相单体,考察了膜内PO基团数量和交联度对复合膜分离性能的影响.结果表明,采用D400所制的复合膜由于具有最高的PO基团含量及较低的交联度,因此具有最高的CO₂渗透速率和CO₂/N₂分离因子.之后,考察了单体浓度、酸吸收剂种类以及水相溶液pH对复合膜分离性能的影响.通过优化这些制膜条件,制备出了CO₂/N₂分离性能较好的复合膜.     

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。     

离子液体二氧化碳分离膜研究进展

离子液体支撑液膜在较大跨膜压差（0.25～0.3MPa）下的稳定性较差,具有较好稳定性的聚离子液体膜和离子液体-聚合物共混膜等逐渐被关注。本文综述了离子液体支撑液膜、聚离子液体膜、离子液体?聚合物共混膜等离子液体膜CO2分离性能、分离机理及稳定性的最新研究进展,介绍了无机颗粒-离子液体-聚合物共混膜的研究现状。指出离子液体膜的高CO2渗透通量与高稳定性之间的矛盾、共混膜结构调控难等问题是其工业化应用的主要障碍,提出开发新的膜材料、改进制膜工艺以减小膜厚、优化膜结构是提高膜的CO2渗透和分离性能,并保持膜稳定性的有效途径。无机颗粒-离子液体-聚合物共混膜兼有较高的CO2分离性能和较好稳定性,具有良好的应用前景,对其制备方法、结构、性能及CO2分离机理的研究将成为这一领域的热点。     

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。     

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。