[发明专利]超薄沸石咪唑酯骨架杂化膜、其制备方法及应用

说明书

超薄沸石咪唑酯骨架杂化膜、其制备方法及应用，所述杂化膜采用超薄沸石咪唑酯骨架纳米片分散至有机溶剂中，先在载体表面成膜，再在其上将聚合物成膜，进行1～10次形成杂化膜。本发明制备的沸石咪唑酯骨架杂化膜中沸石咪唑酯骨架纳米片与有机聚合物具有良好的界面相容性，因此具有很好的气体分离性能。本发明的合成方法简单，重复性好，可以应用于各种复杂载体。

技术领域

本发明属于膜分离领域，具体涉及一种超薄沸石咪唑酯骨架杂化膜，其合成和应用。

背景技术

节能减排技术是实现可持续发展、环境友好的关键之一。分离过程占过程工业总能耗的40％～60％，因此分离过程的节能减排成为了全球科研工作者的重点关注对象之一。膜分离具有能耗低，分离效率高，操作简便，低碳排放等显著优势，可被运用于气体分离，海水淡化，水污染治理及制药等诸多领域中。气体分离膜市场目前主要由聚合物膜占主导地位，但其热稳定性和化学稳定性不高，此外，迄今为止聚合物膜气体分离性能因“trade-off”效应，均位于罗宾逊上限(Robeson’s upper bound)以下。

有机无机杂化膜是其中一种解决办法，其结合了无机填充物(如高选择性)与有机聚合物(如高透量)二者的优点，采用现有的技术即可实现大规模制备。常用的无机填充颗粒如沸石分子筛、二氧化硅、碳分子筛等，因与聚合物不相容性，得到的杂化膜往往存在有两相间隙，导致膜性能下降。

金属有机骨架是由金属离子与有机配体通过配位作用形成的有序晶体结构，由于有机配体的存在，通常这类材料与聚合物有很好的界面相容性，能够克服传统无机填充材料的缺点以单纯聚合物膜塑化、老化等问题。然而一般意义上的杂化膜厚度基本在微米级以上，膜透量低，难以满足工业化需求。使用金属有机骨架纳米片材料作为填充物，则可能制备出超薄厚度的杂化膜，极短的气体分子传输路径可以极大增加膜透量，有望应用于多种工业气体分离领域。我们在先研究公开的球磨加超声开层二维层状前驱体材料的技术(201410714849.5)可以获得大量完整的沸石咪唑酯骨架纳米片，此纳米片厚度不超过100纳米，是十分理想的高透量杂化膜的构建单元。

发明内容

为解决现有技术中的有机无机杂化膜存在无机材料与有机物相容性差，导致制备的杂化膜有两相间隙，膜性能差的问题，本发明拟制备一种超薄沸石咪唑酯骨架杂化膜。

为实现以上技术目的，本发明首先公开一种超薄沸石咪唑酯骨架杂化膜的制备方法，包括如下步骤：

①配制纳米片分散液：将沸石咪唑酯骨架纳米片置于有机溶剂Ⅰ中形成纳米片分散液，分散液中，所述沸石咪唑酯骨架纳米片以浓度计为0.01～0.1mg/mL；

②配制聚合物溶液：将聚合物与有机溶剂Ⅱ混合配成聚合物溶液，其中聚合物以分数计为0.01％～15％；

所述聚合物选自poly[2,2’-(p-oxydiphenylene)-5,5’-bibenzimidazole](OPBI)、聚苯并咪唑、聚酰亚胺和聚砜中的一种；

③在多孔载体表面成膜：先将纳米片分散液滴至多孔载体表面，静置或干燥形成纳米片膜；再在纳米片膜的表面涂覆聚合物溶液，形成聚合物膜，干燥，形成双层夹膜；

④将步骤③的操作进行1～10次，得到所述超薄沸石咪唑酯骨架杂化膜。

需要说明的是，在上述制备方法中，所述沸石咪唑酯骨架纳米片采用CN201410714849.5中的方法制备：将二维金属有机骨架材料与有机溶剂混合后，湿法球磨处理，得到所需沸石咪唑酯骨架纳米片；作为进一步的优选，制备所述沸石咪唑酯骨架纳米片时，使用的二维金属有机骨架材料为Zn₂(bim)₄或Zn₂(bim)₃，其中bim为苯并咪唑。