金属--有机骨架材料对含氮气混合气体的分离提纯
金属-有机骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)是由无机金属中心和有机配体自组装而成的具有周期性网络结构，其表面能连接不同类型的功能基团，且孔道易于调变。由于表面积大、孔隙率高和化学性质可调控等特点，MOFs在许多领域显示出良好的应用前景。近年来，研究热点聚集在能源可持续发展方面，作为主要温室气体SF6和CH4，直接排放在空气中会造成全球变暖和环境污染，而在实际应用中两者总是和N2混合使用，为减少排放，需要对混合气体进行吸附提纯。本文主要的工作内容如下: 1、六氟化硫(SF6)是强大的温室气体之一，不能直接排放在空气中，对于工业应用中的SF6/N2混合物气体，为提高低浓度下气体的分离选择性，选择具有芳族官能化通道和特定结合位点的化学稳定性钙基MOF(SBMOF-1)，用于分离SF6/N2。通道主要由四个低极性的芳环形成，平均尺寸为6.703×7.840(A)，与SF6(5.49 (A))的动力学直径相当，且SF6在通道内与孔道的作用力最佳。通过测量SF6、N2单组份气体吸附而计算得出实际比例下气体选择性，同时采用实验和计算方法获得结合能、吸附位点等信息，混合气体穿透实验也验证了SBMOF-1在分离低浓度SF6/N2混合物方面的潜在应用。 2、甲烷(CH4)，是一种清洁利廉价的能源载体，同时其温室效应是二氧化碳的21倍，对劣质煤层气中CH4和N2的分离可以减少CH4向大气中的释放，同时生产燃料气。为提高CH4的吸附容量，在反应体系中使用配体1-H-苯并咪唑-5-羧酸(HBIC)，合成一种3D-MOF材料Ni(BIC)2·2.5H2O(JUC-86)。HBIC作为一种杂化配体，具有两个角度约为140°的咪唑环氮原子和两个羧基氧原子，所得MOF材料由三个无限长螺旋链平行排列而成，具有约4.5×4.5(A)孔径的一维通道。单组分气体吸附实验结果表明，该材料具有良好的分离性能，并保持了较高的CH4吸附能力，其吸附容量为42.5cm3/g，在所报道的吸附剂中居于前列，同时表现出较好的热稳定性，这为吸附分离CH4/N2提供了新的材料。 3、MOFs通常为纳晶或微晶结构的粉末状态，其颗粒尺寸很小，当MOFs放入水中时，难以实现固液分离;同时进行大规模工业化气体吸附分离应用时，粉末状的MOFs材料存在回收不便、损耗较大等问题。基于此本文采用反离子凝胶法，对具有优秀分离CH4/N2性能的MOF材料Al-CDC，进行固化成型，并调整海藻酸钠和MOFs材料的加入比。通过对复合珠粒材料进行内部结构、比表面积、CH4吸附分离性能等方面的测试，证明合成的复合珠粒基本保持原有粉末材料的结构与性能，具有良好的应用潜力，有助于推动MOFs材料进一步的工业化应用。
温室气体;金属-有机骨架材料;吸附分离;六氟化硫;甲烷;氮气
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
刘大欢
2021
中文
X51
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）