用于二氧化碳吸附的ZIF-8/纤维素复合膜的制备方法和应用技术

一种用于二氧化碳吸附的ZIF‑8/纤维素复合膜的制备方法和应用，该方法是将ZnO粉末和2‑甲基咪唑按比例混合均匀，在室温下进行研磨，直至变为白色细腻粉末为止，得到ZnO粉末和2‑甲基咪唑混合物；得到的ZnO粉末和2‑甲基咪唑混合物装入反应釜中，在160～240℃烘箱中，加热12～20小时，获得ZIF‑8纳米粒子；将CNF‑棉花纤维素纳米纤维溶解在去离子水中，搅拌5小时；得到的CNF‑棉花纤维素纳米纤维水溶液5ml，向其中加入ZIF‑8纳米粒子，继续搅拌5‑10小时。得到的CNF‑棉花纤维素纳米纤维和ZIF‑8混合液进行真空抽滤，得到含有少量水的ZIF‑8/纤维素复合膜，将其进行冷冻干燥，获得ZIF‑8/纤维素复合膜。本发明专利技术制备周期短、用料成本低、原料来源广泛，ZIF‑8/纤维素复合膜降能低空气中二氧化碳的浓度。

Preparation and Application of ZIF-8/Cellulose Composite Membrane for Carbon Dioxide Adsorption

A preparation method and application of ZIF 8/cellulose composite membrane for carbon dioxide adsorption are described. The method is to mix zinc oxide powder and 2 methylimidazole in proportion, grind them at room temperature until they become white and fine powder, and obtain zinc oxide powder and 2 methylimidazole mixture. The obtained zinc oxide powder and 2 methylimidazole mixture are loaded into the reactor at 160-240 C. In the oven, ZIF 8 nanoparticles were obtained by heating for 12 to 20 hours. CNF cotton cellulose nanofibers were dissolved in deionized water and stirred for 5 hours. The obtained CNF cotton cellulose nanofibers aqueous solution was 5 ml. ZIF 8 nanoparticles were added to the solution and stirred for 5 to 10 hours. The obtained CNF cotton cellulose nanofibers and ZIF 8 mixed solution were vacuum filtered to obtain ZIF 8/cellulose composite membrane containing a small amount of water, and then freeze-dried to obtain ZIF 8/cellulose composite membrane. The invention has the advantages of short preparation period, low material cost, wide source of raw materials, and ZIF 8/cellulose composite membrane can reduce the concentration of carbon dioxide in air.

【技术实现步骤摘要】
用于二氧化碳吸附的ZIF-8/纤维素复合膜的制备方法和应用
本专利技术涉及一种用于二氧化碳吸附的ZIF-8/纤维素复合膜的制备方法和应用。
技术介绍
随着工业化的到来，化石燃料的燃烧导致了自然界中温室气体的浓度显著增加，尤其是二氧化碳的浓度。为了减少人类生存所带来的二氧化碳的排放量，最有效的方法是寻找一种绿色可再生的能源来代替化石燃料。但是，短时间内这种新能源很难被找到。面对日益增长的能源需求，化石燃料的燃烧又是人类生活不可或缺的一部分，所以除了寻找清洁能源外，目前最有效的清洁途径是对自然界已经生成的二氧化碳进行捕获、存储和利用。如何从能源密集型工业气体中高效捕获储存二氧化碳，这引起了人们的广泛关注。在以溶剂吸附、化学循环吸附、低温蒸馏等传统工艺中，膜分离技术由于具有操作简便、节能的优点引起了研究者的广泛关注。金属-有机骨架作为一种由金属离子作为中心与有机配体连接的新型孔材料，以其孔隙、孔径可变、表面积大、吸附能力强等特点备受关注。因此，基于金属-有机骨架的膜被认为是分子分离的一个很有前途的候选材料。ZIF-8是金属有机框架的一种，其合成方法简单，具有微孔结构，由于具有高比表面积和低的表面能，展示出了对气体分子很强的吸附能力。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于ZIF-8纤维素复合膜，用于二氧化碳吸附，目的是要解决空气中二氧化碳浓度高，成分复杂的问题，以达到能降低空气中二氧化碳的目的，减缓温室效应，保护环境。一种用于二氧化碳吸附的ZIF-8/纤维素复合膜的制备方法，该方法包括以下步骤：一、将ZnO粉末和2-甲基咪唑按比例混合均匀，在室温下进行研磨，直至变为白色细腻粉末为止，得到ZnO粉末和2-甲基咪唑混合物；其中氧化锌与2-甲基咪唑的摩尔比为：5～15：9.5～28.5；二、将步骤一得到的ZnO粉末和2-甲基咪唑混合物装入反应釜中，在160～240℃烘箱中，加热12～20小时，获得ZIF-8纳米粒子；三、将CNF-棉花纤维素纳米纤维溶解在去离子水中，搅拌5小时；其中CNF-棉花纤维素纳米纤维与去离子水质量比：0.0250～0.250:10～100；四、取步骤三得到的CNF-棉花纤维素纳米纤维水溶液5ml，向其中加入步骤二得到的ZIF-8纳米粒子，继续搅拌；其中ZIF-8纳米粒子的质量0.1～0.7g；搅拌时间：5-10小时五、将步骤四得到的CNF-棉花纤维素纳米纤维和ZIF-8混合液进行真空抽滤，得到含有少量水的ZIF-8/纤维素复合膜，将其进行冷冻干燥，获得ZIF-8/纤维素复合膜。其中，冷冻干燥时间为6～12小时。本专利技术ZIF-8/纤维素复合膜用于空气中二氧化碳吸附。本专利技术的有益效果：本专利技术以氧化锌、2-甲基咪做，CNF-棉花纤维素纳米纤维为原材料，采用无溶剂法、研磨法以及抽滤发、冷冻干燥等手段制备出用于空气中二氧化碳吸附的ZIF-8/纤维素复合膜，通过扫描电子显微镜，X射线衍射,红外吸收光谱法，氮气吸附以及二氧化碳吸附等手段进行表征。本专利技术通过静电相互作用将ZIF-8与CNF-棉花纤维素纳米纤维相结合，制备ZIF-8/纤维素复合膜。本专利技术具有简单易行，制备周期短、用料成本低、原料来源广泛，制备出的ZIF-8/纤维素复合膜不但可以自支持，而且对二氧化碳具有很好的吸附效果，这表明ZIF-8/碳纤维复合膜具有很好的实用性和广阔的应用前景。因此，可以利用本专利技术ZIF-8/纤维素复合膜吸收空气中的二氧化碳，降低空气中二氧化碳的浓度，以达到减少温室气体排放，保护环境的目的。附图说明图1是实施例1制备的ZIF-8/纤维素复合膜的实物照片。图2是实施例1制备的ZIF-8/纤维素复合膜FT-IR光谱。图3是实施例1制备的ZIF-8/纤维素复合膜XRD谱图。图4是实施例1制备的ZIF-8/纤维素复合膜SEM谱图。图5是实施例1制备的ZIF-8/纤维素复合膜EDS谱图。图6是实施例1制备的不同ZIF-8纳米粒子掺杂量的ZIF-8/纤维素复合膜在298k下的二氧化然吸附曲线。具体实施方式实施例1：一、将5gZnO粉末和9.5g2-甲基咪唑混合均匀，在室温下进行研磨，直至变为白色细腻粉末为止，得到ZnO粉末和2-甲基咪唑混合物；二、ZnO粉末和2-甲基咪唑混合物装入反应釜中，放在180℃烘箱中，加热12小时，获得ZIF-8纳米粒子。三、分别将7份0.0250gCNF-棉花纤维素纳米纤维溶解在7份5ml去离子水中，搅拌5小时；四、分别取步骤三得到的7份5mlCNF-棉花纤维素纳米纤维水溶液，分别向其中加入0.0200g聚乙二醇和0.0200g氯化钙搅拌1小时，再分别向其中加入0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g、0.6g和0.7gZIF-8纳米粒子；继续搅拌，总搅拌时间10小时；五、将步骤四得到的7份CNF-棉花纤维素纳米纤维和ZIF-8混合溶液进行真空抽滤，得到含少量水的ZIF-8/纤维素纳米复合膜，将其进行冷冻干燥6小时，可获得ZIF-8/纤维素纳米复合膜。本实施例1制备的ZIF-8/纤维素纳米膜的实物照片如图1所示，将具有生物相容性良好、灵活性高、绿色环保可再生的的纤维素作为支撑材料与具有微孔结构比表面积和孔体积适宜的且易于合成的ZIF-8纳米晶体通过静电相互作用的方式相结合，制备出对二氧化碳吸附能力强的无机纳米复合材料。ZIF-8/纤维素纳米复合膜扫描图像如图4所示，该图像进一步说明了ZIF-8/纤维素纳米复合膜的内部形态。由如图4中可以看出，该材料中ZIF-8纳米晶体堆积平整，分布均匀。这是由于CNF-纤维素纳米纤维与ZIF-8相结合时，通过添加少量氯化钙和聚乙二醇，使液体成均相，而导致ZIF-8晶体在CNF-纤维素纳米纤维膜上均匀排列。本实施例1制备的ZIF-8/纤维素纳米复合膜、ZIF-8纳米晶体、CNF-纤维素纳米纤维的红外谱图如图2所示，通过将ZIF-8纳米晶体、CNF-纤维素纳米纤维的红外谱图和ZIF-8/纤维素纳米复合膜红外曲线对比可看出，没有新键生成，所以可以推断出ZIF-8纳米晶体与CNF-纤维素纳米纤维是通过静电相互作用结合的。本实施例1制备的ZIF-8/纤维素纳米复合膜的X-射线衍射谱图如图3所示，该谱图展示了ZIF-8纳米晶体，CNF-纤维素纳米纤维以及ZIF-8/纤维素纳米复合膜的一些特征衍射峰，由CNF-纤维素纳米纤维和ZIF-8纳米晶体的特征峰对比可得出，CNF-纤维素纳米纤维与ZIF-8纳米晶体成功结合成ZIF-8/纤维素纳米复合膜，CNF-纤维素纳米纤维与ZIF-8纳米晶体结合并不会影响ZIF-8纳米晶体本身的结晶度和结构。本实施例1制备的不同掺杂质量的ZIF-8的ZIF-8/纤维素纳米复合膜用于二氧化碳吸附实验，结果数据图如图6所示，CNF-纤维素纳米纤维的质量一定时即为0.0250g时，ZIF-8的质量分别为0.1-0.7g，从该数据结果可以看出，当ZIF-8纳米粒子的质量为0.1g、0.2g时，形成的ZIF-8/纤维素纳米复合膜的二氧化碳量比纯ZIF-8纳米粒子的二氧化碳吸附量低，随着ZIF-8纳米粒子质量的继续增加，即分别为0.3g、0.4g、0.5g时，ZIF-8/纤维素纳米复合膜的二氧化碳吸附量显著增加，当ZIF-8纳米粒子的质量为0.5时，二氧化碳吸附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于二氧化碳吸附的ZIF‑8/纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：一、将ZnO粉末和2‑甲基咪唑按比例混合均匀，在室温下进行研磨，直至变为白色细腻粉末为止，得到ZnO粉末和2‑甲基咪唑混合物；其中氧化锌与2‑甲基咪唑的摩尔比为：5～15：9.5～28.5；二、将步骤一得到的ZnO粉末和2‑甲基咪唑混合物装入反应釜中，在160～240℃烘箱中，加热12～20小时，获得ZIF‑8纳米粒子；三、将CNF‑棉花纤维素纳米纤维溶解在去离子水中，搅拌5小时；其中CNF‑棉花纤维素纳米纤维与去离子水质量比：0.0250～0.250:10～100；四、取步骤三得到的CNF‑棉花纤维素纳米纤维水溶液5ml，向其中加入步骤二得到的ZIF‑8纳米粒子，继续搅拌；其中ZIF‑8纳米粒子的质量0.1～0.7g；搅拌时间：5‑10小时；五、将步骤四得到的CNF‑棉花纤维素纳米纤维和ZIF‑8混合液进行真空抽滤，得到含有少量水的ZIF‑8/纤维素复合膜，将其进行冷冻干燥，获得ZIF‑8/纤维素复合膜。

【技术特征摘要】
1.一种用于二氧化碳吸附的ZIF-8/纤维素复合膜的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：一、将ZnO粉末和2-甲基咪唑按比例混合均匀，在室温下进行研磨，直至变为白色细腻粉末为止，得到ZnO粉末和2-甲基咪唑混合物；其中氧化锌与2-甲基咪唑的摩尔比为：5～15：9.5～28.5；二、将步骤一得到的ZnO粉末和2-甲基咪唑混合物装入反应釜中，在160～240℃烘箱中，加热12～20小时，获得ZIF-8纳米粒子；三、将CNF-棉花纤维素纳米纤维溶解在去离子水中，搅拌5小时；其中CNF-棉花纤维素纳米纤维与...

【专利技术属性】
技术研发人员：盖方圆，殷丽，敖玉辉，赵振波，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22