摘要
膜分离技术具有高效节能、清洁环保、占地面积小、操作简便等优势，是分离领域的研究热点。作为典型的金属有机骨架（MOF）材料，ZIF-8因其合适的孔径、优异的化学稳定性、热稳定性和便于制备等优势而被广泛应用于氢气纯化和丙烯/丙烷分离等气体分离膜的制备。近年来，在制备高质量ZIF-8膜以实现高效气体分离方面已经进行了广泛研究并取得了显著进展，但是对于ZIF-8膜的微结构优化尤其是取向调控仍然是一项具有挑战性的任务。通过调控MOF膜的优先取向可以有效提高孔道排列有序性、减少传质阻力、减少晶间缺陷，是优化MOF膜微结构的有效途径。二次生长法可通过对成核过程和生长过程的依次调控，实现对MOF膜制备过程的精准调控，是制备取向MOF膜的有效途径。然而，目前仍然存在着晶种层和载体之间结合强度低、晶种取向沉积工艺有限和二次外延生长难度大这三大技术难题，极大制约了取向MOF膜的高效制备。本论文针对上述要求和挑战，以叶形片状ZIF-8纳米片作为晶种，利用其片状形貌优势探索出通过旋涂工艺制备取向ZIF-8晶种层的简便方法；通过在晶种液中加入适量聚乙烯亚胺（PEI）可显著提高晶种层和载体之间的结合强度；结合低温合成策略有效抑制体相成核，从而成功实现了可控二次外延生长，首次采用二次生长法制备高度（110）取向ZIF-8膜，并系统研究了其气体渗透性能。具体研究内容和结论概括如下： （1）参照相关报道，首先利用ZIF-L晶体再转晶的方式制备了均匀叶形片状ZIF-8晶种并对其进行热稳定性及物理吸附性能分析。结果表明，制备的ZIF-8晶种具有很好的热稳定性和CO2吸附能力，显示出了其用于制备稳定H2/CO2分离膜的潜力。 （2）采用二次生长法制备高度（110）取向ZIF-8膜。结合叶形片状ZIF-8晶种的片状形貌优势，通过旋涂法沉积了（110）取向ZIF-8晶种层；通过在晶种液中加入适量PEI以增强晶种层与载体间的结合力；采用低温二次生长法以抑制体相成核、减少孪晶生长，最终制备了维持晶种层原有取向的高度（110）取向ZIF-8膜。 （3）对制备的（110）取向ZIF-8膜进行气体分离性能研究。结果表明，取向ZIF-8膜具有良好的轻组分分离性能、操作稳定性和独特的H2/CO2分离优势。其中，在150℃操作条件下H2/CO2和H2/CH4的分离选择性可达20.50和21.38。此外，通过与以纳米尺寸ZIF-8为晶种在相同制备条件下制备的ZIF-8膜的气体渗透性能对比，证实了PEI和叶形片状ZIF-8晶种对CO2的优先吸附，对于提升取向ZIF-8膜的H2/CO2分离性能具有积极的促进作用。
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