微纤复合金属有机骨架膜材料的制备与应用研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiexia1987623
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金属有机骨架(Metal organic frameworks,MOFs)材料具有超高的比表面积,均一的孔分布、裸露的金属位点、较高的热稳定性及化学稳定性,被广泛应用于气体吸附分离、催化等领域。微纤复合材料具有高空隙率、高机械强度、特殊三维网状结构并可任意折叠与剪裁,能够有效降低床层阻力,增强传质传热,提高接触效率,微纤复合MOF膜材料能充分结合微纤复合材料与MOFs材料的优势,具有广阔的应用前景。本文采用二次生长法分别制备了微纤复合ZIF-8膜与微纤复合HKUST-1膜,并以挥发性有机物(VOCs)异丙醇以及工业废水苯酚为处理对象,系统研究了微纤复合ZIF-8膜和HKUST-1膜的制备工艺技术和表征,探讨了异丙醇在基于ZIF-8/PSSF的结构化固定床上的吸附透过行为以及苯酚在基于HKUST-1/PSSF的固定床上的湿式催化氧化性能。首先,研究了微纤复合ZIF-8膜材料的制备工艺及异丙醇在基于ZIF-8/PSSF的结构化固定床上的吸附透过性能。采用湿法造纸工艺和烧结技术制备了不锈钢纤维载体(paper-like sintered stainless steel fibers,PSSF),在其表面通过晶种法和二次生长法合成ZIF-8膜,并考察不同晶种沉积时间,Hmim/Zn摩尔配比,二次生长温度,二次生长时间对ZIF-8膜的影响,通过SEM、XRD、N2吸脱附、TG、FT-IR表征结果可知,最佳的合成条件为:晶种沉积时间为12 h,Hmim/Zn摩尔配比为80,二次生长时间为24 h,二次生长温度为100℃。在最优合成条件下,不锈钢纤维载体表面生成了连续致密无缺陷的ZIF-8膜,比表面积为398 m2 g-1,孔体积为0.174 cm3 g-1,空隙率为89%,热稳定范围在30-450℃。通过研究对比异丙醇分别在基于ZIF-8/PSSF的结构化固定床和ZSM-5颗粒固定床上的吸附透过曲线,表明相对于ZSM-5颗粒固定床,ZIF-8/PSSF能够显著提高固定床的吸附效率和降低床层传质阻力。当异丙醇的流量从50 mL min-1增加到150 mL min-1时,ZIF-8/PSSF膜结构化固定床的床层利用率△Z从75.2%降低到了48.7%,异丙醇吸附速率常数k’从0.0360 min-1增加到0.0437 min-1。相比ZSM-5颗粒固定床,ZIF-8/PSSF膜结构化固定床的床层利用率提高了7.8%,传质速率常数提高了6%。其次,研究了微纤复合HKUST-1膜催化剂的制备工艺及苯酚在基于HKUST-1/PSSF膜催化剂的结构化固定床上湿式催化氧化性能。SEM、XRD、N2吸脱附、TG、FT-IR表征结果表明,通过热涂晶种与二次生长法合成的HKUST-1/PSSF催化剂的比表面积约为376.72 m2 g-1,孔体积为0.178 cm3 g-1,孔径分布集中在1 nm,热稳定范围在30-350℃,HKUST-1晶体在不锈钢纤维PSSF载体表面呈八面体晶型形态生长且理论负载量约为15.7%。考察反应温度、催化剂的床层高度、物料流速对苯酚在HKUST-1/PSSF膜催化剂上的湿式催化氧化的影响,实验结果表明,当温度增高,苯酚转化率、过氧化氢转化率、TOC转化率随之增加;当床层高度增加,物料流速降低,停留时间变长时,苯酚转化率、过氧化氢转化率、TOC转化率随之增加。在反应温度为80℃、床层高度为3 cm、进料流量为2 mL min-1的最佳反应条件下,1 h内苯酚的转化率可以达到100%,TOC的转化率可以达到70%,芳香中间产物被完全转化,表明HKUST-1/PSSF催化剂对苯酚有潜在的应用前景。
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