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摘 要

多孔固体填料为增强聚合物气体分离膜的性能提供了有效的途径。在先前报道的多孔固体填料中，如沸石、碳纳米管等，由于聚合物与填料之间表面化学的不均匀性会产生非选择性的相间空隙，从而允许气体不受限制的扩散，这最终导致这些多组分膜的性能不佳。多孔有机笼材料（POCs）是一种有前景的新型可溶性填料，可通过与聚合物基质紧密结合来改善相间空隙问题。因此，本实验采用具有多孔结构的有机分子笼CC3晶体结合具有优异气体分离性能的6FDA-DAM聚合物制备混合基质膜，并对膜进行气体分离性能测试。实验表明，与纯聚合物基质的膜相比，掺杂了CC3晶体的混合基质膜在选择性和渗透性上有了一定的增强，特别是对于C₃H₆/C₃H₈的分离。

关键词：多孔有机笼材料（POCs）、混合基质膜、气体分离

Preparation of Supramolecular Organic Cage Mixed Matrix Membrane and Its Gas Separation

ABSTRACT

The porous solid filler provides an effective way to enhance the performance of the polymer gas separation membrane. In previously reported porous solid fillers, such as zeolites, carbon nanotubes, etc., non-selective interphase voids are created due to surface chemical inhomogeneities between the polymer and the filler, allowing unrestricted diffusion of the gas, which ultimately This results in poor performance of these multi-component films. Porous organic cage materials (POCs) are promising new soluble fillers that improve interphase voiding by tightly bonding to polymer matrices. Therefore, in this experiment, a mixed matrix membrane was prepared by using a porous molecular structure CC3 crystal combined with a 6FDA-DAM polymer having excellent gas separation performance, and the membrane was subjected to gas separation performance test. Experiments have shown that mixed matrix membranes doped with CC3 crystals have some enhancement in selectivity and permeability compared to pure polymer matrix membranes, especially for the separation of C3H6/C3H8.

Key words: Porous organic cage materials (POCs), mixed matrix membranes, gas separation

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1引言 1

1.2多孔有机笼材料 2

1.3混合基质膜 5

第二章 实验部分 8

2.1 主要仪器和试剂 8

2.1.1实验试剂 8

2.1.2实验仪器 8

2.2 实验方法与装置 9

2.2.1聚合物6FDA-DAM的制备 9

2.2.2 多孔有机笼材料CC3的制备 9

2.2.3 CC3/6FDA-DAM混合基质膜的制备 10

2.2.4 样品形貌结构表征方法 11

2.2.5 气体渗透性能测试装置 12

2.2.6评价气体分离膜性能的参数 13

第三章 分析与讨论 15

3.1 CC3晶体以及CC3/6FDA-DAM混合基质膜的结构表征 15

3.1.1 X射线衍射（XRD）表征方法 15

3.1.2气体吸附实验表征方法 16

3.1.3扫描电子显微镜（SEM）表征方法 17

3.2 纯CC3聚合物膜和CC3/6FDA-DAM混合基质膜的性能测试 20

3.2.1不同温度下合成的纯6FDA-DAM聚合物膜的性能测试 20

3.2.2掺杂不同含量CC3晶体的混合基质膜的性能测试 20

第四章 结论与展望 22

4.1主要结论 22

4.2展望 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 文献综述

1.1引言

化学原料的节能分离是一项重大的可持续性挑战^[1]。目前工业中主要通过低温蒸馏，吸附，冷凝等方式来达到分离的目的，而这种传统的分离方法通常会消耗大量的能量，导致分离成本显著增加。因此，化学家们合成了一系列多孔固体材料，并提出了膜分离技术的概念，以便于更加节能的分离商业上重要的化学品。与传统的分离技术相比，膜分离技术设备单元小，因此其设备单元具有相对较小的占地面积，另外，膜系统不需要复杂的机械设备，这很大程度上降低了分离成本^[2]。近年来，随着研究者的大量报导，膜技术在气体分离、储存和催化等过程中发挥着重要作用。

膜分离技术在近年来得到了迅速的发展，主要归功于膜分离技术设备简单、环境友好、分离体积小、无污以及能量消耗低^[3]。目前，工业中得到广泛且大规模使用的是聚合物膜，这很大程度上取决于聚合物膜易于加工和具有很强的机械强度，而且制备膜的有机聚合物通常易于扩展且具有成本效益。然而，聚合物膜对污染物的抵抗力差，化学和热稳定性低并且渗透性和选择性之间存在权衡限制，即所谓的Robeson上限，阻碍了其进一步的发展^[3]，同时，随着新能源的开发，导致许多新型的不同的混合气体组分的出现，而聚合物膜想要高效的分离这些多变的混合体系依旧比较困难。因此，膜分离技术目前面临的挑战之一是设计超过Robeson上限的新材料，以实现更高的选择性，并在理想情况下相应的增加渗透性。

在聚合物膜材料被不断推进的同时，有一些研究者们在为开发纯无机膜做了大量的工作^[4]。无机膜是指由陶瓷，碳，沸石，各种氧化物（氧化铝、氧化钛、氧化锆），金属-有机骨架和金属（如钯、银及其合金）等材料制成的膜。无机膜可根据膜断面物理形态的不同可分为对称膜、不对称膜以及复合膜，根据其结构的不同又可分多孔无机膜和致密（无孔）无机膜，微孔无机膜包括无定形膜和结晶膜^[5]。尽管无机膜具有独特的气体分离性能，即优异的热稳定性和化学稳定性、良好的耐腐蚀性和高的气体通量和选择性，但是其机械阻力大，再生性以及长期稳定性较差等问题限制了其进一步的发展，使其难以进行实际应用^[6]。

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