亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        膜材料在氣體分離中的應(yīng)用

        2023-06-07 04:54:10魏鵾鵬
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2023年5期
        關(guān)鍵詞:作用力溶解度選擇性

        魏鵾鵬

        (江蘇華揚(yáng)液碳有限責(zé)任公司,江蘇 泰州 225400)

        0 引言

        與其他凈化工藝相比,膜因其系統(tǒng)緊湊性、能源效率和運(yùn)行簡單等優(yōu)勢[1]而引起學(xué)術(shù)界的興趣,同時也有望解決化石燃料的排放引起的社會和環(huán)境問題。該文不僅闡述了膜材料分離氣體的機(jī)理,還對2 種無機(jī)膜材料用于分離二氧化碳進(jìn)行了研究。在之前的工作中該文發(fā)現(xiàn)通過原位生長法制備金屬有機(jī)骨架(MOF)膜性能較差,其主要原因是無機(jī)材料在陶瓷基底上生長膜材料的過程中存在缺陷,很難形成一層致密的膜材料,因此該文通過離子液體修飾的方法,將存在缺陷的地方涂抹一層離子液體[2],同時MOF 材料對離子液體又有一定的限制作用,將微量的離子液體限制在局部區(qū)域內(nèi),形成一張致密的復(fù)合膜,可提高對CO2的分離性能。

        為了拓展這種想法,該文嘗試使用離子液體修飾存在缺陷的超薄膜,但是由于超薄膜的膜厚僅有幾百個納米,無法控制離子液體的量,通過文獻(xiàn)調(diào)研及試驗研究,該文選用氧化石墨烯(GO)制備納米片以修復(fù)MOF 超薄膜。氧化石墨烯存在作用力較強(qiáng)的官能團(tuán),可以協(xié)助MOF 材料堆疊成膜,從而提高M(jìn)OF 超薄膜制備的成功率。

        1 膜分離機(jī)理

        在壓力驅(qū)動的過程中,膜分離需要一個跨氣體滲透的跨膜壓力差。滲透性反映了介質(zhì)在膜中的滲透能力,通常用GPU 表示(1GPU=1×10-6cm3(STP)cm-2S-1cmHg-1)。以聚合物膜為例,聚合物膜的滲透系數(shù)計算為滲透率乘以膜厚,用Barrer 表示(1Barrer=1×10-10cm3(STP)cm-2cmS-1cmHg-1)。滲透系數(shù)是一種物理性質(zhì),用來表示氣體透過膜的難易程度,同時也能體現(xiàn)氣體對膜的溶解擴(kuò)散的能力,一般指單位推動力、單位膜面積、單位時間下的滲透通量。然而,滲透性取決于膜厚度和配置。一個非反應(yīng)性的聚合物需要具有一定的透氣性,可以通過降低膜厚度來實現(xiàn)更高的滲透性。因此,形成較薄的膜材料對實際應(yīng)用很重要。對非反應(yīng)性聚合物,氣體分子輸送通常遵循溶液擴(kuò)散機(jī)制,滲透系數(shù)如公式(1)所示。

        在聚合物中,Si和Di是介質(zhì)i 的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)。其中Si/Sj是介質(zhì)i 與介質(zhì)j 的溶解度選擇性,Di/Dj是介質(zhì)i 與介質(zhì)j 的擴(kuò)散選擇性。因此,膜分離氣體產(chǎn)生的差異對應(yīng)于聚合物中的溶解度或擴(kuò)散性。溶解度可以估計系數(shù),與其他氣體相比,CO2的溶解度更高,因此CO2在溶解度高的聚合物中表現(xiàn)出的滲透性要高于H2和N2。但是,CO2的滲透能力只是略高于CH4,導(dǎo)致CO2/CH4溶解度選擇性較低[3-4]。

        2 離子液體修飾膜材料

        Ni-MOF-74[5]是一種對CO2作用很強(qiáng)的多孔材料,在之前的研究中它被用來制備成膜,但是制備過程非常復(fù)雜,很難形成一層致密的膜材料。該文通過一種離子液體[TETA]L[6]去修復(fù)膜材料制備過程中MOF 顆粒之間存在的缺陷,以提高它的分離性能。[TETA]L 是乳酸和三亞乙基四胺制備而成的離子液體。在冰水中將乳酸逐滴加入三亞乙基四胺中,通過劇烈的攪拌并在25℃下保持4h,得到透明液體,再在烘箱中干燥24h,溫度80℃,獲得產(chǎn)物。

        如圖1 所示,該文在氧化鋁基底上生長一層Ni-MOF-74 膜材料,然后將離子液體滴在MOF 膜上,利用離子液體的流動性修復(fù)MOF 顆粒之間的缺陷。同時,離子液體存在一定的黏性并附著在MOF 顆粒表面,而MOF 顆粒將離子液體限制在缺陷處形成一層致密的膜材料。該試驗的前提是MOF 膜材料不存在宏觀缺陷,所謂的缺陷是制備過程中存在的微孔,其會導(dǎo)致氣體分離效果較差,需要通過微量的離子液體去修飾。

        圖1 Ni-MOF-74@[TETA]L 的制備示意圖

        由圖2 可以看出該試驗合成的Ni-MOF-74 與模擬的PXRD 圖譜吻合,證明其材料正常。由圖3 可以看出Ni-MOF-74 膜存在缺陷,不是一張致密的膜材料,其厚度約為2μm。通過氣體測試也發(fā)現(xiàn)其對H2/CO2幾乎沒有分離性能。在加入離子液體后,該文發(fā)現(xiàn)MOF 膜材料對H2/CO2的分離性能提高,氣體的通量變小,這點足以證明離子液體填補(bǔ)了MOF 本身存在的缺陷,使H2和CO2的滲透率降低,分離能力提高。

        圖2 Ni-MOF-74 PXRD 譜圖

        圖3 Ni-MOF-74 膜掃描電子顯微鏡表面圖和掃描電鏡斷面圖

        [TETA]L 的負(fù)載量對膜材料分離性能的影響如圖4 所示,加入定量的[TETA]L 后,膜材料的分離性能逐漸變化,說明[TETA]L 對MOF 膜材料的缺陷有一定的修復(fù)作用。當(dāng)加入20mg 離子液體時,分離性能幾乎沒有變化,說明此時還存在缺陷;當(dāng)離子液體的量增加到40mg、80mg 時H2、CO2的通量逐漸降低,選擇性逐步增加,由最初的4.7 增加至30;當(dāng)離子液體加至120mg 時分離性能下降。因此可以判定離子液體量太多,將膜材料分離氣體的通道堵住,導(dǎo)致膜材料對H2/CO2的分離性能降低。

        圖4 [TETA]L 的負(fù)載量對膜材料分離性能的影響

        3 氧化石墨烯修復(fù)超薄膜

        在過去10 年中,石墨烯的出現(xiàn)啟發(fā)了各種各樣的合成2D 材料(2DMs),包括氧化石墨烯(GO)、層狀過渡金屬二甲硅藻(TMDC)、mxenes(2D 過渡金屬碳化物和/或氮化物)、分層沸石、2D 聚合物和超分子聚合物[7]。這些材料因其二維特性而開辟了新的膜時代,這使傳輸阻力最小化、通量最大化,提供了超高的分離能力。而且,2DMs 可以展示精確的多孔結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì),使其具有非凡的分離選擇性。此外,2D 材料還可以容易地組裝分層堆疊,通過孔道層層錯位堆疊充當(dāng)分離通道。因此,目前超薄膜的研究已經(jīng)引起許多研究人員的關(guān)注。超薄膜不僅打破了通量和選擇性的trade-off 效應(yīng),而且已經(jīng)被各種材料制備應(yīng)用于氣體分離。該文選用一種二維MOF 材料制備超薄膜,并在制備過程中發(fā)現(xiàn)MOF 納米片之間的作用力較差,干燥后極易脫落,制備的膜材料存在較多缺陷。最初考慮使用離子液體,但是制備的膜材料太薄,負(fù)載不了離子液體,無法控制離子液體的用量。因此采用GO,利用GO 表面大量的官能團(tuán)的作用力[8]來提高M(jìn)OF 納米片成膜的概率。

        超薄膜的制備過程如圖5 所示。該文使用MOF 材料NUS-8(Zr)[9]作為制備膜的原材料,通過超聲波清洗機(jī)分別將NUS-8(Zr)和GO 剝離成納米片,靜置3 天后,取上清液與GO 納米片上清液進(jìn)行混合,通過水泵抽濾,將上清液抽濾在尼龍膜基底上。

        圖5 超薄膜的制備過程

        超薄膜的掃描電子顯微鏡表面圖和電鏡斷面圖如圖6所示。通過圖6 可以看出,該文成功制備了一張致密的二維超薄膜,圖6(b)可以清晰地看出膜材料是由二維納米片堆積而成的,圖6(c)是膜材料的斷面電鏡圖,其厚度約為300nm。在之前的調(diào)研中該文,發(fā)現(xiàn)GO 可以增加納米片之間的作用力,因此選用GO 作為中間的媒體,以提高M(jìn)OF 納米片之間的作用,彌補(bǔ)MOF 納米片之間的缺陷。

        圖6 超薄膜的掃描電子圖

        該文成功制備了幾組NUS-8(Zr)與GO 復(fù)合的超薄膜,其分離性能隨GO 的添加不斷變化。不同的GO 量對MOF 超薄膜H2/CO2分離性能的影響如圖7 所示。取20mLNUS-8(Zr)納米片的分散液,當(dāng)GO 量為0.1mg 時,由于NUS-8(Zr)之間的作用力太差,因此膜材料缺陷較大,對H2/CO2無分離性能。當(dāng)GO 量增至1mL 時,H2/CO2的選擇性為28,H2的滲透率是5.82×10-7mol·m-2·s-1·Pa-1。由于GO 膜本身對H2/CO2具有較好的分離性能,繼續(xù)增加GO 量,選擇性仍會增加,因此為了證明NUS-8(Zr)在復(fù)合膜中的作用,該文又將1mL 的GO 納米片分散液稀釋10 倍,制備的超薄膜的選擇性只有6。因此可以證明復(fù)合膜中的MOF 材料在分離性能上存在至關(guān)重要的作用。GO雖然也具備一定的分離性能,但更多的是用來增強(qiáng)納米片之間的作用力,彌補(bǔ)MOF 材料之間因較差的作用力而存在的缺陷,進(jìn)而提高膜材料的致密性。

        圖7 不同的GO 量對MOF 超薄膜H2/CO2 分離性能的影響

        4 結(jié)語

        與傳統(tǒng)的工藝相比,膜分離技術(shù)具有無污染性、占地面積小、綠色環(huán)保、分離效率高和投資少的優(yōu)勢,是目前最有前景的分離技術(shù),同時還能在確保安全生產(chǎn)運(yùn)行的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高質(zhì)量的分離。但是隨著膜技術(shù)的發(fā)展,其問題也隨之出現(xiàn)。純MOF 膜制備過程復(fù)雜,混合基質(zhì)膜通量較小,超薄膜的制備難度又太大。因此該文通過小分子的離子液體和作用力強(qiáng)的GO 材料去彌補(bǔ)MOF 膜之間的缺陷,不僅可以簡化膜材料的制備過程,還可以通過修復(fù)其存在的缺陷,在極大程度上保證材料本身的分離性能,對今后膜材料的制備和研究具有一定的借鑒作用。

        猜你喜歡
        作用力溶解度選擇性
        Keys
        “溶解度曲線”考點擊破
        選擇性聽力
        溶解度曲線的理解與應(yīng)用例析
        高考中微粒間作用力大小與物質(zhì)性質(zhì)的考查
        CO2捕集的吸收溶解度計算和過程模擬
        選擇性應(yīng)用固定物治療浮膝損傷的療效分析
        溶解度計算錯誤種種和對策
        選擇性執(zhí)法的成因及對策
        院感防控有兩種作用力
        亚洲欧洲偷自拍图片区| 日韩精品人妻系列中文字幕| 亚洲av福利院在线观看| 中文字幕天天躁日日躁狠狠躁免费 | 国产裸体歌舞一区二区| 免费在线观看一区二区| 99视频一区二区日本| 国产成人av一区二区三区在线观看| 丰满老熟妇好大bbbbb| 亚洲av在线播放观看| 99久久久69精品一区二区三区 | 在线视频亚洲一区二区三区 | 亚洲伊人av综合福利| 亚洲av成人精品一区二区三区| 高清偷自拍第1页| 久久狠色噜噜狠狠狠狠97| 一区二区三区一片黄理论片| 无码h黄肉3d动漫在线观看| 国产免费午夜a无码v视频| 日韩精品欧美激情国产一区| 风流熟女一区二区三区| 毛片无码国产| 久久综合五月天| 日本视频一区二区三区三州| 亚洲av无码一区二区三区鸳鸯影院| 黑人玩弄人妻中文在线| 亚洲综合久久1区2区3区| 国产一区二区三区在线男友 | 日本老熟欧美老熟妇| 精品丝袜国产在线播放| 亚洲一区二区三区偷拍女| 国产办公室沙发系列高清| 中文人妻无码一区二区三区| 国产丝袜美腿嫩模视频诱惑| 欧美激情在线播放| 黑人巨大videos极度另类| 亚洲av一二三又爽又爽又色| 欧美成人家庭影院| 毛茸茸的中国女bbw| a级福利毛片| 色男色女午夜福利影院|