全渗透金属有机框架ZIF-95@Matrimid®混合基质膜取向构筑及CO2分离性能研究
批准号:
22075084
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
黄爱生
依托单位:
学科分类:
无机功能材料化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
黄爱生
中文摘要
混合基质膜兼有无机膜和有机膜的优点,在CO2脱除等化工分离中发挥着越来越重要的作用。但无机多孔填料通常完全被高分子聚合物基质包覆,未能充分发挥多孔填料的分子筛分功能,导致混合基质膜的选择性和渗透性都受到极大限制。本项目提出对混合基质膜的微观结构进行调控,构筑出具有取向结构和全渗透特性的金属有机框架ZIF-95@Matrimid®混合基质膜用于CO2的分离和脱除。ZIF-95纳米片高度取向、上下相通地镶嵌在聚合物Matrimid®基质中,从而充分发挥ZIF-95孔道的分子筛分作用,大大提高混合基质膜的CO2选择分离性能。详细考察ZIF-95颗粒形貌、大小和掺入量以及铸膜液浓度等因素对ZIF-95@Matrimid®混合基质膜微观结构和分离性能的影响,深入探讨膜微观结构和分离性能的构效关系;进而揭示CO2等渗透分子在ZIF-95@Matrimid®混合基质膜中的吸附、扩散行为规律和传输机制。
英文摘要
Mixed matrix membranes (MMMs), with both advantages of inorganic membranes and organic membranes, play an increasingly important role in chemical separation such as CO2 removal. However, inorganic porous fillers are usually completely covered by polymer matrix, which can not fully play a molecular sieving role of the porous fillers, resulting in the great limitation of the selectivity and permeability of mixed matrix membrane. In this project, it is proposed to control the microstructure of the mixed matrix membrane, and build a metal organic framework ZIF-95@Matrimid® mixed matrix membrane with orientation structure and full permeability characteristics for the separation and removal of CO2. ZIF-95 nano-sheets are highly oriented and interlinked in the polymer Matrimid® matrix, so as to fullly play the molecular sieving effect of ZIF-95 pores and greatly improve the CO2 selective separation performance of the mixed matrix membrane. The effects of zif-95 particle morphology, size, amount of incorporation as well as concentration of casting solution on the microstructure and separation performance of the ZIF-95@Matrimid® mixed matrix membrane were investigated in detail, and the structure-activity relationship between the microstructure and separation performance of the membrane was discussed in depth, so as to reveal the adsorption, diffusion behavior and transport mechanism of CO2 in the ZIF-95@Matrimid® mixed matrix membrane.
CO2大量排放引发的全球气候和环境变化已成为人类生存和发展面临的重大挑战。积极应对全球气候变化是我国实现经济社会全面协调和可持续发展的重大战略任务,其关键是要减少温室气体特别是CO2的排放。膜分离具有清洁高效、环境友好,操作简便,能耗低等优点,在国内外受到广泛重视并具有工业应用前景的CO2分离新技术,其关键和核心在于研制出对CO2既具有高选择性、高渗透性,又具有高稳定性的CO2选择分离膜材料。混合基质膜由高分子聚合物材料作为基质,以具有分子筛分功能的无机多孔材料作为填充剂,通过共混、流延或者挤塑的方法制备。混合基质膜兼有无机有机膜的优点,有望突破传统有机膜分离性能的上限,在CO2分离中具有广阔的应用前景,但必须提高多孔材料在高分子聚合物基质中的分散性和两者的相容性,并增加膜内部的传质通道,充分发挥多孔填料的分子筛分作用。.在国家自然科学基金的资助下,本项目分别采用固相法和溶剂热合成出了大小适中、形状规则、厚度合适的ZIF-95 纳米片;分别采用固相法、蒸汽辅助外延生长法和溶剂热法合成出了高度c轴取向的ZIF-95膜,并对取向ZIF-95膜的微观形貌、结构和组成进行表征,详细考察了取向ZIF-95膜的气体分离性能;通过浮法铸造-相转移的方法制备得到具有取向结构的ZIF-95@PI混合基质膜,制备得到的ZIF-95@PI混合基质膜表现出了优异的气体分离性能,阐明膜表面微观形貌、结构和膜分离性能的构效关系,揭示气体分子在取向膜中的渗透扩散行为规律及相互作用的科学认知。在100 ℃和1 Bar下,通过ZIF-95@PI混合基质膜,H2/CO2和H2/CH4的混合气体分离因子分别为58和134。研究结果在Angewandte Chemie International Edition, Journal of Membrane Science等期刊发表SCI收录论文12篇,申请中国发明专利2项。通过本项目的实施,培养研究生10名。
CO2催化加氢制甲醇膜反应器构筑及过程强化研究
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批准号:22278144
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项目类别:面上项目
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资助金额:54万元
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批准年份:2022
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负责人:黄爱生
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依托单位:
金属有机框架ZIF-67基Co@Carbon膜催化反应器设计、制备及其用于丙烷催化脱氢反应过程强化研究
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批准号:21878100
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项目类别:面上项目
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资助金额:66.0万元
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批准年份:2018
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负责人:黄爱生
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依托单位:
三维立体氧化石墨烯膜的构建、制备和海水淡化性能研究
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批准号:21576273
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2015
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负责人:黄爱生
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依托单位:
国内基金
海外基金