[发明专利]中空ZIF-8纳米颗粒填充的海藻酸钠杂化膜及制备和应用

说明书

本发明公开了一种中空ZIF‑8纳米颗粒填充的海藻酸钠杂化膜，是由海藻酸钠与中空ZIF‑8质量比100:2～10构成；其中，中空ZIF‑8是由二水合醋酸锌和2‑二甲基咪唑按摩尔比1:1制备而成。其制备步骤是：首先得到中空ZIF‑8纳米颗粒；然后，将中空ZIF‑8纳米颗粒分散于去离子水，与海藻酸钠共混制得铸膜液，将该铸膜液旋涂于聚丙烯腈基膜后，经过干燥、交联、再干燥制得该杂化膜。本发明具有制备过程简便、可控性强、原料易得、方法通用等优点。制得的杂化膜用于渗透蒸发乙醇‑水溶液体系，对水分子具有高渗透通量、高选择性，同时该杂化膜在高温下具有良好的操作稳定性。

技术领域

本发明涉及一种中空ZIF-8纳米颗粒填充的海藻酸钠杂化膜及制备和应用，属于高分子-无机杂化膜技术领域。

背景技术

能源危机和环境污染是当今世界面临的两大全球问题。化石能源作为为世界经济提供动力的主导能源，同时也是上述全球问题的主要成因。开发绿色可再生能源迫在眉睫。燃料乙醇是一种典型的可再生清洁能源，按一定比例将其加入到汽油或柴油中作为汽车等的燃料，可提高汽油和柴油的辛烷值及抗爆性，减少尾气中氮氧化物等有毒气体的排放。乙醇中水分的脱除是工业生产乙醇的一个重要步骤。工业上用于乙醇深度脱水的技术主要有特殊精馏(共沸精馏、萃取精馏等)、分子筛吸附和膜技术(渗透蒸发)。特殊精馏法能耗高，且共沸剂等第三组分的引入对环境污染严重，需二次分离进行回收；分子筛吸附法虽然自动化程度高、无污染，但吸附剂再生时所需的能耗较大；而渗透蒸发膜技术因具有操作简单、产品纯度高、原料损失小、无污染和能耗低等优点而备受青睐，尤其适合低水含量下水分的脱除。

渗透蒸发过程遵循溶解-扩散机理，利用乙醇和水的物性差异，可分别强化溶解过程和扩散过程。然而高分子膜材料存在渗透性和选择性之间的trade-off效应，一直是高性能膜材料制备的瓶颈。高分子-无机杂化膜能够综合高分子和无机膜材料的优点，克服高分子膜稳定性差及无机膜质脆、不易加工的缺点，且具有杂化后衍生的高调控精度及高调控自由度等优点，已逐步成为膜和膜过程领域的前沿。

发明内容

针对现有技术，为了制备高渗透性、高选择性和高稳定性的膜材料，本发明提供一种中空ZIF-8纳米颗粒填充的海藻酸钠杂化膜，旨在利用中空ZIF-8纳米颗粒的孔道尺寸实现对水分子和乙醇分子的筛分，同时ZIF-8纳米颗粒的中空结构设计可以为分子提供快速传递的通道。本发明同时提供了该中空ZIF-8纳米颗粒填充的海藻酸钠杂化膜的制备方法，该制备方法简便可控，制备得到的中空ZIF-8纳米颗粒填充的海藻酸钠杂化膜具有较高的分离性能和稳定性能，可以用于渗透蒸发乙醇-水体系脱水。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种中空ZIF-8纳米颗粒填充的海藻酸钠杂化膜，是由中空ZIF-8纳米颗粒与海藻酸钠按质量比2～10:100构成；其中，中空ZIF-8纳米颗粒是由二水合醋酸锌和2-二甲基咪唑按摩尔比1:1制备而成，中空ZIF-8纳米颗粒的粒径为100～150nm，孔径为0.34nm。

上述中空ZIF-8纳米颗粒填充的海藻酸钠杂化膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、中空ZIF-8纳米颗粒的制备：

将适量的二水合醋酸锌和聚乙烯吡咯烷酮溶解于水中得到水溶液，其中，二水合醋酸锌和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为13:16，聚乙烯吡咯烷酮与水的质量体积比为40mg/ml，将上述水溶液分散于正辛醇中，正辛醇与水的体积比为60:1，在500r/min条件下磁力搅拌30min得到均匀反相乳液；

将适量的2-二甲基咪唑溶于正辛醇中得到正辛醇溶液，其中，2-二甲基咪唑与正辛醇的质量体积比为62.5mg/ml再将该正辛醇溶液加入上述反相乳液中，保证二水合醋酸锌和2-二甲基咪唑的摩尔比为1:1，轻晃几秒后在室温下静置12～48h，得到白色沉淀物；将该白色沉淀物用甲醇离心洗涤后在40～120℃真空烘箱中干燥12h，得到的白色粉末状固体即为中空ZIF-8纳米颗粒；