[发明专利]一种基于中空MOFs材料的低阻高选择性混合基质膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于中空MOFs材料的低阻高选择性混合基质膜的制备方法，属于膜分离技术领域。本发明首先使用纳米尺寸的羧基化聚苯乙烯作为硬模板，使得MOFs在聚苯乙烯表面生长，通过DMF蚀刻制得纳米级的中空MOFs微球，使用制备的中空MOFs材料与聚合物基质共混制备混合基质膜。所述制备方法使用纳米级的中空MOFs为填料，纳米尺寸的MOFs材料有助于提高MOFs与基质之间的相容性，从而制备无缺陷的混合基质膜，提高选择性；另外，中空结构的存在，能够有效的减小混合基质膜的传质距离，从而降低膜的传质阻力，提高气体渗透速率。

技术领域

本发明属于膜分离技术领域，具体涉及一种基于中空MOFs材料的低阻高选择性混合基质膜的制备方法。

背景技术

二氧化碳作为温室效应中作用最突出的温室气体，它的分离捕集受到了广泛的研究。目前对二氧化碳的分离主要有吸收法、吸附法和膜分离法。膜分离技术由于具有耗能低、易操作、易耦合等优点，成为二氧化碳分离的研究热点。

气体膜主要包括无机膜和有机膜，其中有机膜广泛应用于氢气分离，氧气和氮气富集以及天然气纯化，但是早在1991年Robeson就提出了聚合物膜的分离性能受限于膜的固有性能，聚合物膜在选择性和渗透性上存在trade-off效应，即选择性和渗透性难以兼得，而无机膜虽然具有高的气体选择性，但是相对脆弱，并且造价昂贵，难以大规模生产。

混合基质膜是将有机膜和无机颗粒结合到一起，同时具有有机膜和无机膜的优点，在保持膜对气体高选择性的同时，提高气体的渗透性，以此提升膜的气体分离性能。在目前多种无机填料中，MOFs材料由于比表面积大，孔结构丰富，与基质相容性较好，修饰性强等优点，在混合基质膜中广泛应用。但是，尽管MOFs存在丰富的孔道，MOFs的掺入仍然会存在较大的气体传输阻力，阻碍气体渗透速率的提升，并且MOFs与基质之间仍然存在相容性问题，在制膜过程中容易产生缺陷，使得选择性降低。因此制备低气体传输阻力、高选择性的混合基质膜对膜性能的提升极其重要。

发明内容

基于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于制备一种基于中空MOFs材料的低阻高选择性混合基质膜。

本发明的技术方案：

一种基于中空MOFs材料的低阻高选择性混合基质膜的制备方法，步骤如下：

一种基于中空MOFs材料的低阻高选择性混合基质膜的制备方法，采用聚苯乙烯微球为硬模板，制备核壳MOFs，使用溶剂A溶解聚苯乙烯，制造空心结构，获得中空MOFs微球材料；具体步骤如下：

(1)纳米中空MOFs材料通过模板法获得：

通过乳液聚合的方法，将苯乙烯与丙烯酸聚合，合成表面富含羧基的纳米尺寸的聚苯乙烯微球，再通过水浴法在聚苯乙烯微球表面包覆MOFs材料，之后使用溶剂A对包覆MOFs材料后的聚苯乙烯微球进行蚀刻，形成纳米级的中空MOFs微球材料。

所述苯乙烯与丙烯酸的体积之比为9:1-1:1。

所述水浴温度为70℃，水浴时间为30min。

所述中空MOFs微球材料占基质B的质量百分比为5％、10％或15％。

所述的中空MOFs微球材料直径为108-140nm。

MOFs材料在聚苯乙烯微球表面的厚度为4-20nm。

所述的溶剂A为DMF或THF。

(2)制膜：

将纳米级的中空MOFs微球材料加入到基质B溶液中，搅拌超声，使得中空MOFs微球材料分散到基质B溶液中，将配置好的铸膜液倒入表面皿中，在40-60℃烘箱中浇铸成膜。

所述基质B为聚醚共聚酰胺、聚砜、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。