摘 要

当前主要有两种类型的膜应用在气体分离上：无机膜和有机膜。前者的分离机理是分子筛分分离，但是性质过于脆，而且成本高，不适合实际应用。后者的分离机理是溶质扩散，但是其同样存在缺陷——渗透系数和分离性能不可得兼。当前有一个比较好的方法解决这两个问题，那就是通过将无机粒子添加到有机膜中制成混合基质膜（MMMs），使其同时具有有机膜和无机膜的优良特性。聚醋酸乙烯酯（PVAc）具有优良的粘合性和柔韧性，纯PVAc膜的丙烯渗透系数和选择性不高。ZIF-8有很好的水热稳定性、很大的比表面积、柔性结构以及官能团丰富等优点，而且还具有优秀的吸附性能,同时有很好的化学稳定性，所以他是一种很好的应用于气体吸附分离的吸附剂。本实验将沸石咪唑骨架化合物(ZIF-8)添加到聚醋酸乙烯酯（PVAc）嵌段共聚物中，制备出ZIF-8含量不同的ZIF-8/PVAC混合基质膜。并且发现在PVAc中添加ZIF-8无机粒子大大提高了丙烯的扩散系数和分离性能，证明了这一方法的可行性。

关键词：沸石咪唑骨架化合物 ZIF-8PVAc 混合基质膜

Preparation and Separation Performance of ZIF-8/Polyvinyl Acetate Mixed Matrix Membrane

Abstract

There are two main types of membranes currently used in gas separation: inorganic membranes and organic films. The separation mechanism of the former is molecular sieving separation, but the nature is too brittle, and the cost is high, not suitable for practical application. The separation mechanism of the latter is solute diffusion, but it is also defective-the permeability coefficient and separation performance are not available. There is currently a better way to solve these two problems by adding inorganic particles to the organic film to form a mixed matrix membrane (MMMs), which also has excellent properties of both organic and inorganic films. Polyvinyl acetate (PVAc) has excellent adhesion and flexibility, pure PVAc film propylene permeability coefficient and selectivity is not high. ZIF-8 has good hydrothermal stability, great specific surface area, flexible structure and rich functional groups, but also has excellent adsorption properties, and has good chemical stability, so he is a very good The adsorbent used in gas adsorption separation. In this study, the zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8)/PVAc mixed matrix membrane with different ZIF-8 content was prepared by adding the ZIF-8 to the polyvinyl acetate (PVAc) block copolymer. It was found that the addition of ZIF-8 inorganic particles in PVAc greatly improved the diffusion coefficient and separation performance of propylene, which proved the feasibility of this method.

Keywords: Zeoliticimidazolateframework;ZIF-8; Polyether block polyamide;mixed matrix membranes

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章文献综述 1

1.1 课题研究背景 1

1.2混合基质膜 2

1.2.1 混合基质膜的气体分离性能及其影响因素 2

1.2.2 MOFs掺杂混合基质膜的研究 4

1.3聚醋酸乙烯酯(PVAc) 4

1.3.1 PVAc 简介 4

1.4金属有机骨架材料(MOFs) 4

1.4.1 MOFs简介 4

1.4.2 MOFs特点 4

1.5沸石咪唑酯框架材料(ZIFs) 5

1.5.1 ZIFs 简介 5

1.5.2 ZIF-8 简介 5

1.6研究意义及内容 5

1.6.1 研究意义 5

1.6.2 研究内容 6

第二章实验部分 7

2.1试剂与仪器 7

2.1.1本实验所用的主要试剂和原材料 7

2.1.2实验中使用的主要器材 7

2.1.3实验设备演示图 8

2.2 ZIF-8的合成制备 9

2.3复合膜的合成制备 9

2.3.1纯PVAc膜 9

2.4复合膜通量测试 9

2.4.1气体分离性能评价 9

2.4.2气体分离性能实验装置及测试方法 10

2.5复合膜样品的表征 10

2.5.1 X射线衍射(XRD) 11

2.5.2 傅里叶红外(FTIR) 11

2.5.3样品的环境电镜扫描 ( SEM ) 11

2.5.4 BET 11

第三章实验结果与讨论 13

3.1 气体渗透性能结果与讨论 13

3.2实验样品的表征结果与讨论 14

3.2.1 X射线衍射 14

3.2.2红外光谱分析 15

3.1.3 环境电镜扫描和BET 16

第四章结论和展望 19

参考文献 20

致谢 22

第一章文献综述

1.1 课题研究背景

对于石油化工行业来说，轻质烯烃一直是一类重要的原材料。它们和其对应的轻质烷烃的气体分离一直是一个难题,传统使用的工艺有很多的不足。当前一般用低温精馏的方法分离它们，但是两者的沸点非常相近,因此工艺设备复杂，需要很高的经济成本并且消耗很多能源，不利于经济和环境效益。因此我们要设计更好的分离工艺以达到更好的分离效果和经济效益。

轻质烯烃中的丙烯是非常紧缺的基础化工原料之一。它主要用于生产环氧丙烷、丙烯腈、丙酮等，同时也是生产很多类型精细化学品的重要原料。目前工业获得丙烯的主要手段^[1]是从天然气裂解的丙烯/丙烷气体混合物中分离出丙烯。但是丙烯/丙烷有十分相近的物理性质，因此丙烯/丙烷混合气的分离一直是一个值得研究的问题。当前主要的丙烯/丙烷的分离方法是高压低温精馏^[2]，但是此方法需要消耗很多能源，因此成本很高。

气体分离膜技术是一种高效率、节约能原的气体分离技术，因此有人认为这将是一种有效分离丙烯/丙烷混合气体的新技术。目前，针对丙烯/丙烷混合气的分离，有许多不同种类的膜被制备出来。如聚合物膜^[3]，沸石膜^[4]，以及分子筛膜^[5]等。但是这些膜大部分都受有一定的缺陷，高选择性以及高渗透性两者不可得兼^[6]。

当前主要有两种类型的膜应用在气体分离上：无机膜和有机膜。前者的分离机理是分子筛分分离，后者的分离机理是溶质扩散。无机多孔膜，如沸石膜和碳分子筛膜，不仅有良好的选择性和气体通量，而且稳定性非常好，在丙烯/丙烷分离过程中表现出很好的性能。但是无机膜有严格的制备条件。另外无机膜制备需要昂贵的无机支撑体，这就导致制备成本很高，难以大规模生产。与无机膜相比，有机膜在制备工艺上具有高重复性、低成本、易放大等优势^[7]。但是有机膜通量较低，耐高温性差，抗腐蚀性差，很少超过渗透性—选择性平衡的限制。因此，有人提出将无机颗粒添加到聚合物中制备混合基质膜（Mixed Matrix Membranes，MMMs）^[8]，混合基质膜由于结合了无机颗粒物，具有分子筛分效应，使其选择性得到了提高，同时通量也没有下降，使其同时保持了高通量、高选择性、易制备、成本低廉的特点，提高了聚合物膜的性能。

1.2混合基质膜

以前一段时间里，有研究工作者提出了一些能够提高聚合物膜性能的方法，其中比较引人注目有效的一种方法是将无机粒子作为填充剂修饰聚合物，比如用分子筛、中孔二氧化硅、活性炭、碳纳米管甚至一些无孔的固体制备混合基质膜（MMMs）。

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