[Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ/SPES-C混合基质膜用于甲醇/甲基叔丁基醚混合物的分离

首页 > 行业动态 > [Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ/SPES-C混合基质膜用于甲醇/甲基叔丁基醚混合物的分离

摘要：
本文成功合成金属有机框架材料[Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ，其对甲醇（MeOH）的吸附选择性高于甲基叔丁基醚（MTBE）。将该材料作为填料掺入含酚酞侧基的磺化聚芳醚砜（SPES-C）中，制备混合基质膜（MMMs）。随着填料负载量增加，膜的吸附选择性和扩散选择性均提升，渗透通量在20 wt%负载量时达0.288 kg·m⁻²·h⁻¹，且此后趋于稳定，该膜显著提升了MeOH/MTBE混合物的分离性能。

研究背景：
1. 行业问题和研究现状：渗透汽化（PV）膜分离中，传统混合基质膜存在无机填料与聚合物相容性差、选择性和渗透性难以兼顾的问题；MOF基PV膜研究尚处于起步阶段，相关报道较少。
2. 本文创新：选用室温可合成、纳米尺寸可控且优先吸附MeOH的[Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ作为填料，与SPES-C复合制备MMMs，解决填料与聚合物相容性问题，同时提升膜的分离选择性和渗透通量。

实验部分：
1. [Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ合成：室温下，将MeOH/bdc溶液加入MeOH、Cu(OAc)₂·H₂O和乙酸的混合液中，静置3天后加入MeOH/bpy溶液反应2天，经分散-超声-离心洗涤、真空干燥得产物。
2. SPES-C及膜制备：PES-C在50℃下用浓硫酸磺化18 h（磺化度0.64），经水洗、干燥后溶于NMP；加入不同比例[Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ，搅拌超声后流延成膜，80℃干燥8 h，制备不同负载量（0-30 wt%）的MMMs。
3. 吸附与渗透汽化实验：膜在15 wt% MeOH/MTBE混合物中40℃浸泡48 h，通过气相色谱测定吸附选择性；在40℃、进料流速50 L·h⁻¹、渗透侧真空671 mbar条件下，测试膜的分离因子和渗透通量。

分析测试：
1. 材料表征：SEM/TEM显示[Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ为立方颗粒，粒径35-55 nm；WAXRD证实其晶型；TGA表明200℃以下热稳定；IGA测试显示MeOH最大吸附量155.4 mg·g⁻¹，远高于MTBE。
2. 膜性能测试：AFM显示膜表面粗糙度随填料负载量增加而增大（M-30的RMS为14.981 nm）；PALS测试表明，填料负载30 wt%时，自由体积半径0.335 nm、自由体积分数10.557%；EDS证实Cu元素均匀分布。
3. 分离性能测试：M-30的分离因子达2290，膜选择性2657；M-20的渗透通量0.288 kg·m⁻²·h⁻¹，MeOH渗透ance 388 gpu。
4. 机理揭示：[Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ的高孔隙率和MeOH优先吸附性，提升膜的吸附与扩散选择性；自由体积增加促进渗透通量，且填料与聚合物相容性良好，无界面缺陷。

总结：
1. 主要研究结果：成功制备[Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ/SPES-C MMMs，填料负载20 wt%时综合分离性能最优，实现选择性与通量同步提升。
2. 创新突破：首次将[Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ用于MeOH/MTBE分离，解决传统膜相容性和性能trade-off问题，获得高选择性和高通量。
3. 潜在意义：为共沸混合物分离提供高效膜材料，在化工提纯领域具有重要应用前景。

[Cu₂(bdc)₂(bpy)]ₙ/SPES-C mixed matrix membranes for separation of methanol/methyl tert-butyl ether mixtures
文章作者：Guang Lu Han, Ke Zhou, Ao Nan Lai, Qiu Gen Zhang, Ai Mei Zhu, Qing Lin Liu
DOI：10.1016/j.memsci.2013.11.049
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0376738813009459

本文为科研用户原创分享用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。