金属有机框架ZIF-8与聚偏氟乙烯(PVDF)膜的改性研究

来源 :上海应用技术大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:cn0531
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金属-有机框架(Metal-Organic Framewok,MOFs)代表了一类由有机配体与无机金属节点构筑的新型多孔纳米结构材料,其独特的结构特点使其在光电材料、催化、分离、与存储等领域中具有广泛的应用前景。当前,MOFs的研究热点不仅聚集在新颖结构的制备方面,且已扩展到探索它们的构效关系和实际应用等方面。聚偏氟乙烯(PVDF)是世界上应用较为广泛的聚合物之一,已在微滤、超滤等领域中得到了广泛的应用。随着科学技术的发展,工业上对膜的分离效率提出了越来越高的要求,因此,寻找更优秀的材料和更有效的分离催化途径已日益成为研究的热点。研究报道,MOFs与多孔膜的结合亦是提高分离膜渗透和分离性能的有效方法。因此,本论文将PVDF和MOFs相结合,分别制备了具有光催化性能的ZIF-8晶体膜、具有二氧化碳(CO2)吸附能力的新型ZIF-8-PVDF复合材料以及用于染料废水处理的ZIF-8/PVDF超滤膜,具体研究内容如下:(1)通过采用二次生长法制备了ZIF-8晶体膜,将滤纸作为ZIF-8晶体膜的生长载体,2-甲基咪唑(HMIm)作为有机配体,六水合硝酸锌[Zn(NO32·6(H2O)]作为金属离子来源,PVDF作为有机配体缓释剂。通过SEM、XRD以及光催化测试来表征制备得到的ZIF-8晶体和ZIF-8晶体膜的结构组成及其性能。研究表明:以滤纸作为载体,通过二次生长法成功制备了ZIF-8晶体膜。滤纸的多孔疏松结构在第一次合成中对晶体的结晶过程产生了一定的影响。其中,构成滤纸的纤维素所存在的一些基团参与到了HMIm和Zn2+的配合作用中从而改变了晶体形成的最终形貌-规则六边形,晶体也从分散的单个晶体趋向于连续生长,且ZIF-8晶体膜对甲基橙溶液的光催化效率基本保持在70%左右,而甲基橙溶液本身的光催化效率为16.82%,因此,ZIF-8晶体膜具有一定的光催化性能,且为下文MOFs晶体形貌的研究做了铺垫。(2)通过采用辅助溶剂热(PAS)法制备了一种新型ZIF-8-PVDF复合材料,综合研究了不同含量的PVDF对ZIF-8-PVDF复合材料形貌及其性能的影响。通过FT-IR、XRD、SEM以及BET来表征所制备晶体的化学组成、结构及其性能。结果显示:新型ZIF-8-PVDF复合材料不仅具有有趣的晶体形态,从具有突起的金刚石十二面体到最终的六角形形貌。与ZIF-8相比,新型ZIF-8-PVDF复合材料具有较大的比表面积,其孔径分布落在中孔范围内,大大提高了其在吸附领域中的应用潜力。当PVDF含量为最少含量0.5 g时,新型ZIF-8-PVDF复合材料对CO2吸附能力最小;随着PVDF含量的增加,其对CO2的吸附量亦增加。(3)通过采用原位生长法在常温下制备了用于染料废水处理的ZIF-8/PVDF超滤膜,即通过在铸膜液中加入ZIF-8的有机配体HMIm,在凝胶浴中加入ZIF-8的金属离子Zn(NO32·6(H2O),将制备出来的膜浸泡于凝胶浴中实现ZIF-8的合成,从而实现ZIF-8/PVDF超滤膜的制备。通过FT-IR、XRD、SEM和染料伊文思蓝废水处理对ZIF-8/PVDF超滤膜的形貌结构、化学组成及其性能进行了表征。研究表明:通过原位生长法,实现了在凝胶浴中合成ZIF-8,膜表面及膜内都有ZIF-8的存在,与PVDF纯膜相比,对染料伊文思蓝的截留率显著提高。当HMIm含量为8 g时,ZIF-8/PVDF超滤膜对染料伊文思蓝的截留率为96.17%,对卵清白蛋白盐水溶液(OVA盐水溶液)的截留率为97.37%,纯水通量为180 L·m-2·h-1。随着HMIm质量的增加,ZIF-8含量亦随之增加。当HMIm含量为12 g时,纯水通量显著提升至208.5 L·m-2·h-1,对染料伊文思蓝的截留率为97.17%,对OVA盐水溶液的截留率为99.06%。综上所述:ZIF-8/PVDF超滤膜具有良好的分离性能和抗污染性能。
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