具有疏水孔表面和大微孔孔容的ZIF-8基多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有疏水孔表面和大微孔孔容的ZIF

【技术实现步骤摘要】
具有疏水孔表面和大微孔孔容的ZIF
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8基多孔碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种具有疏水孔表面和大微孔孔容的ZIF
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8基多孔碳材料及其制备方法，以及该ZIF
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8基多孔碳材料在选择性吸附分离5
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羟甲基糠醛、乙酰丙酸和甲酸中的应用，属于无机功能材料应用领域。

技术介绍

[0002]5‑
羟甲基糠醛作为重要的生物质呋喃类化合物，可通过氧化、开环和缩合等各种有机反应合成多种功能材料。由木质纤维素制备5
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羟甲基糠醛包括三个步骤，纤维素首先水解为葡萄糖，之后葡萄糖异构化为果糖，果糖脱水为5
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羟甲基糠醛。而由于5
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羟甲基糠醛在酸性或中性条件下不稳定，会进一步水解为乙酰丙酸和甲酸，严重影响了5
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羟甲基糠醛的产率和收率。因此，5
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羟甲基糠醛的分离与纯化是工业化生产的难点之一。
[0003]5‑
羟甲基糠醛的分离方法主要包括蒸馏法、萃取法、吸附法、膜分离法。由于5
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羟甲基糠醛沸点较高，通常采用减压蒸馏法进行分离，但工艺能耗大，成本高；萃取法需要用到大量有机溶剂，且存在萃取剂毒性强，难回收的缺点，不利于大规模工业化生产；通过膜分离法进行5
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羟甲基糠醛富集的研究尚未引起足够的重视，少有的报道是通过相对绿色的纳滤法进行5
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羟甲基糠醛的分离。相对而言，易操作、低能耗且环境友好的吸附法更适用于将5
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羟甲基糠醛从复杂的反应体系中高选择性分离出来，其中筛选合适的吸附剂是关键。
[0004]ZIF基多孔碳是一种新型的功能型多孔碳材料，广泛应用于吸附分离、催化及电化学等领域。中国专利CN113578272 A通过先碳化后活化制备了一种具有大孔径和超大孔容ZIF
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8基介孔碳，将其应用于糠醛和乙酸混合物的分离后实现了呋喃类化合物糠醛的高效分离。此外，ZIF
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8基多孔碳与呋喃类化合物存在独特的π
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π相互作用，且具有疏水性和微孔的多孔碳有利于呋喃类化合物的高效分离（Min Yuan, Tianchang Liu, Qi Shi, Jinxiang Dong. Understanding the KOH activation mechanism of zeolitic imidazolate framework
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derived porous carbon and their corresponding furfural/acetic acid adsorption separation performance[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 428: 132016.）。但先碳化后活化的工艺过于繁琐，本专利技术将制备工艺简化，省略碳化步骤，直接活化制备具有疏水孔表面和大微孔孔容的ZIF
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8基多孔碳材料，并将其应用于5
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羟甲基糠醛、乙酰丙酸和甲酸混合物的分离，对呋喃类化合物的5
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羟甲基糠醛的生产制备具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在提供一种具有疏水孔表面和大微孔孔容的ZIF
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8基多孔碳材料的制备方法，该方法首先通过溶剂热法制备ZIF
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8样品；之后ZIF
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8与KOH混合，通过调节活化温度、活化时间和碱碳比，调控ZIF
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8配体和KOH反应过程，直接活化制备具有疏水性和大微孔孔容的ZIF
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8基多孔碳；最后将得到的ZIF
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8基多孔碳应用于吸附分离5
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羟甲基糠醛、乙酰丙
wt.%的5
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羟甲基糠醛或2.5 wt.%乙酰丙酸水溶液或1.0 wt.%甲酸水溶液以0.05 mL/min的流速通过填料层。
[0013]所述的三组分（5
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羟甲基糠醛/乙酰丙酸/甲酸混合水溶液）动态穿透实验：将ZIF
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8基多孔碳材料装入到穿透柱中，填料高度为17 cm，内径为4 mm；在25 ℃条件下，将浓度为5.0/2.5/1.0 wt.%的5
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羟甲基糠醛/乙酰丙酸/甲酸混合水溶液以0.05mL/min的流速通过填料层，最后进行脱附实现三者的分离。
[0014]进一步地，上述动态穿透实验中，首先用待分离组分5
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羟甲基糠醛/乙酰丙酸/甲酸混合水溶液润洗管路，之后用N2对管路进行吹扫；然后通过高压注射泵将5
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羟甲基糠醛/乙酰丙酸/甲酸水溶液以0.5 mL/min的流速自下而上流过填料层，在填料出口处每隔10 min收集0.5 ml流出液体，最后用高效液相色谱仪进行定量分析。
[0015]动态穿透实验结束后，需进行吸附剂的再生；通过高压注射泵将乙醇以0.5mL/min的流速自下而上流过填料层，在填料出口处每隔10 min收集0.5ml流出液体，使用高效液相色谱仪进行定量分析，直至流出液中无产物，实现吸附剂的再生。之后再次使用脱附后的吸附柱进行5.0/2.5/1.0 wt.%的5
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羟甲基糠醛/乙酰丙酸/甲酸混合水溶液的动态穿透实验。
[0016]本专利技术的有益效果：（1）本专利技术简化了制备工艺，通过直接活化法制备了具有疏水孔表面和大微孔孔容的ZIF
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8基多孔碳材料。同时，高比表面积及多孔碳与5
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羟甲基糠醛之间独特的π
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π相互作用有利于实现5
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羟甲基糠醛的高效吸附；（2）本专利技术所制备的ZIF
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8基多孔碳材料对5
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羟甲基糠醛/乙酰丙酸/甲酸的混合水溶液分离效果明显；ZIF
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8基多孔碳对三种吸附质的亲和力为5
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羟甲基糠醛>乙酰丙酸>甲酸；在混合液中对5
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羟甲基糠醛吸附量高达837.4 mg/g, 乙酰丙酸和甲酸吸附量仅为83.6和0.6 mg/g，实现高选择吸附5
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羟甲基糠醛的目的。
附图说明
[0017]图1为实施例1~4制备的ZIF
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8基多孔碳的77K下N2等温吸脱附图。
[0018]图2为实施例1~4制备的ZIF
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8基多孔碳孔容分布图。
[0019]图3为实施例5~7的单组分静态吸附曲线图。
[0020]图4为实施例8的三组分静态吸附曲线图。
[0021]图5为实施例9~11的单组分动态穿透曲线图。
[0022]图6为实施例12的三组分动态穿透曲线图。
[0023]图7为实施例13的三组分循环动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
mm；在25 ℃条件下，将浓度为5.0/2.5/1.0 wt.%的5
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羟甲基糠醛/乙酰丙酸/甲酸混合水溶液以0.05mL/min的流速通过填料层，最后进行脱附实现三者的分离。10.根据权利要求8或9所述的应用，其特征在于：动态穿透实验中，首先用待分离组分5
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羟甲基糠醛/乙酰丙酸/甲酸混合水溶液润洗管路，之后用N2对管路进行吹扫；然后通过高压注射泵将5
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羟甲基糠醛/乙酰丙酸/甲酸水溶液以0.5 mL/min的流速...

【专利技术属性】
技术研发人员：石琪，原敏，董晋湘，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：