基于嵌入式多孔少层g-C3N4/ZIF-8混合基质膜的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种基于嵌入式多孔少层g

【技术实现步骤摘要】
基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8混合基质膜的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8混合基质膜的制备方法及应用，属于化学工程膜分离


技术介绍

[0002]随着工业革命的发展，全球能源需求不断增长，化石能源大量燃烧。在过去的数年中，过量使用化石燃料使得空气中CO2的浓度迅速升高，造成了各种生态环境问题。捕集CO2在减少空气中CO2浓度的同时，还可以利用CO2造福人类生活。在膜分离中，混合基质膜占有重要地位，具有合适的无机填料和聚合物基质的混合基质膜可以获得优异的气体分离性能，突破Robeson上限。
[0003]聚醚嵌段酰胺，是由柔性聚醚(PE)和相对刚性的聚酰胺(PA)组成的，并已作为膜材料在众多领域中广泛应用。具有高链迁移率的PE相可增加渗透性，促使气体分子可快速穿过膜，而PA相可提供高机械性能。石墨碳氮化碳(g
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C3N4)具有类似于石墨的层状结构，具有良好的热稳定性和化学稳定性，由于其层间的范德华力较小，可以在层间进行官能团改性或者接枝。并且对g
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C3N4的后处理中，可能会产生稍大的结构缺陷，减少气体分子的传递阻力，为小分子提供快速传递通道。

技术实现思路

[0004]本专利技术制备了基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8混合基质膜，提供了一种简单、高效的剥离g
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C3N4与接枝ZIF
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8的方法。将该混合基质膜应用于CO2/N2分离，获得了较高的CO2渗透系数和分离因子。
[0005]本专利技术中使用的g
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C3N4对CO2具有亲和性；经过热回流处理之后，g
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C3N4层间距变小，减少了气体分子的传递阻力；ZIF
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8能成功接枝到g
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C3N4片层上；引入的ZIF
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8在用于CO2/N2分离时为CO2提供了快速通道，提高了CO2的渗透系数和分离因子。
[0006]本专利技术中，首先将制备的g
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C3N4在醇类中热回流剥离成多孔少层结构，之后通过原位生长ZIF
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8制备嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8，再将该嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8引入聚合物基质中，使用溶液流延法制备基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8的混合基质膜。该法制备的基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8的混合基质膜能进一步提高CO2的渗透性和CO2/N2选择性。
[0007]上述制备方法中，包括以下步骤：(1) 多孔少层g
‑
C3N4的制备：首先称取1~200 g三聚氰胺置于管式炉内，以1～10 ℃/min的升温速率加热到400～600 ℃，然后在空气中恒温2～24 h。收集黄色产物在研钵中研磨成粉末，记为产物A。之后将产物A加到溶剂B与溶剂C的混合物中，其中产物A在溶剂B中的浓度为0.01～1 g/mL，溶剂B与溶剂C的体积比为(0.1～1)：1，在50～150 ℃下回流1～12 h。然后，将粉末用乙醇洗涤3~5次，在30～100 ℃的鼓风干燥箱中干燥8~24h，制备得多
孔少层g
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C3N4，记为产物D。
[0008](2) 嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
‑
8的制备：取产物D分散在甲醇中，产物D在甲醇中的浓度为0.01～0.5 g/mL，在20～50 KHz的频率、20～70
ꢀ°
C的温度内超声0.5～24 h使分散均匀。将Zn(NO3)2·
6H2O加入到多孔少层g
‑
C3N4甲醇溶液中，在100~500rpm的转速机械搅拌0.5～12 h使Zn(NO3)2·
6H2O分散均匀，命名为溶液E，其中Zn(NO3)2·
6H2O在甲醇溶液中浓度为0.001~0.1 g/mL；向溶液E中加入2
‑
甲基咪唑，其中Zn(NO3)2·
6H2O和2
‑
甲基咪唑的摩尔比为1：(4~10)，在20～90
ꢀ°
C的温度内机械搅拌12～48 h，使Zn(NO3)2·
6H2O和2
‑
甲基咪唑反应生成嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
‑
8粗产物。将产物用甲醇洗涤3~5次，并在30～80 ℃烘箱中干燥6～24 h。将得到的复合材料记为产物E。
[0009](3) 基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8混合基质膜的制备：将产物E加入到制膜所需的溶剂F中，在温度为20～70
°
C、频率为20～50 KHz的条件下超声0.5～6 h使分散均匀，命名为溶液G。之后将聚合物基质加入到溶液G中，采用磁力搅拌器在温度为20～80
°
C、转速为100～2000 rpm的条件下搅拌2～24 h使聚合物完全溶解，静置脱泡12～48 h，得到均一铸膜液H。其中，聚合物基质占铸膜液的质量百分含量为(2～15)%，铸膜液中产物E与聚合物基质的质量比为(0.01～0.1)：1。用涂膜器将铸膜液H均匀的涂覆在干净的玻璃板或聚四氟乙烯板上，控制湿膜的厚度为300～1500 μm，然后将涂膜后的玻璃板或聚四氟乙烯板放置在25～80
ꢀ°
C的真空烘箱中真空干燥12～48 h，再在80～150
ꢀ°
C的真空烘箱中干燥8～48 h；将去除溶剂后的膜从玻璃板或聚四氟乙烯板揭下，妥善保管待用。
[0010]进一步地，上述制备方法的步骤(1)中，溶剂B为乙二醇、丙三醇中的一种。
[0011]进一步地，上述制备方法的步骤(1)中，溶剂C为甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇中的一种。
[0012]进一步地，上述制备方法的步骤(3)中，制膜所需溶剂F为N,N'
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二甲基乙酰胺、N,N'
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二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N
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甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的一种。
[0013]进一步地，上述制备方法的步骤(3)中，所述的聚合物基质的种类为聚醚嵌段酰胺、磺化聚醚醚酮、聚酰亚胺、醋酸纤维素、聚二甲基硅氧烷中的一种。
[0014]本专利技术所制备的基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8混合基质膜的厚度为20～200 μm。
[0015]本专利技术还提供了上述方法所制备的基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8混合基质膜的制备方法，其特征在于：首先将制备的g
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C3N4在醇类中热回流进行剥离，然后将剥离之后的多孔少层g
‑
C3N4进行原位生长ZIF
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8制备嵌入式多孔少层g
‑
C3N4/ZIF
‑
8，再将该嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8引入聚合物基质中，使用溶液流延法制备基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8的混合基质膜。2.根据权利要求1所述的基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8混合基质膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1) 多孔少层g
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C3N4的制备：首先称取1~200 g三聚氰胺置于管式炉内，以1～10 ℃/min的升温速率加热到400～600 ℃，然后在空气中恒温2～24 h；收集黄色产物在研钵中研磨成粉末，记为产物A；之后将产物A加到溶剂B与溶剂C的混合物中，其中产物A在溶剂B中的浓度为0.01～1 g/mL，溶剂B与溶剂C的体积比为(0.1～1)：1，在50～150 ℃下回流1～12 h；然后，将粉末用乙醇洗涤3~5次，在30～100 ℃的鼓风干燥箱中干燥8~24 h，制备得多孔少层g
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C3N4记为产物D；(2) 嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8的制备：取产物D分散在甲醇中，产物D在甲醇中的浓度为0.01～0.5 g/mL，在20～50 KHz的频率、20～70
ꢀ°
C的温度内超声0.5～24 h使分散均匀；将Zn(NO3)2·
6H2O加入到多孔少层g
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C3N4甲醇溶液中，在100~500rpm的转速机械搅拌0.5～12 h使Zn(NO3)2·
6H2O分散均匀，命名为溶液E，其中Zn(NO3)2·
6H2O在甲醇溶液中浓度为0.001~0.1 g/mL；向溶液E中加入2
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甲基咪唑，其中Zn(NO3)2·
6H2O和2
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甲基咪唑的摩尔比为1：(4~10)，在20～90
ꢀ°
C的温度内机械搅拌12～48 h使Zn(NO3)2·
6H2O和2
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甲基咪唑反应生成嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8粗产物；将产物用甲醇洗涤3~5次，并在30～80 ℃烘箱中干燥6～24 h；将得到的复合材料记为产物E；(3) 基于嵌入式多孔少层g
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C3N4/ZIF
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8混合基质...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新儒，王永洪，李晋平，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：