[发明专利]羧甲基纤维素-沸石咪唑酯骨架结构纳米片复合气体分离膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种羧甲基纤维素‑沸石咪唑酯骨架结构纳米片复合气体分离膜及其制备方法，采用Zn(NO₃)₂·6H₂O与甲基咪唑混合制备沸石咪唑酯骨架结构纳米片，然后与羧甲基纤维素混合分散制备复合悬浮液，最后置于不锈钢托盘上真空条件下干燥即得。本发明制备的羧甲基纤维素‑沸石咪唑酯骨架结构纳米片复合气体分离膜具有气体分离选择性高，不易泄漏的特点，可高效分离气体中的H₂、CO₂、N₂或CH₄。

技术领域

本发明涉及气体分离膜的制备方法领域，具体是一种羧甲基纤维素-沸石咪唑酯骨架结构纳米片复合气体分离膜及其制备方法与应用。

背景技术

金属-有机骨架材料(MOF)是指过渡金属离子与有机配体通过自组装形成的具有周期性网络结构的晶体多孔材料。它具有高孔隙率、低密度、大比表面积、孔道规则、孔径可调以及拓扑结构多样性和可裁剪性等优点，被广泛用作制备气体分离材料。其中，具有二维结构、高纵横比的MOF纳米片材料相比其他形式的MOF材料更能够有效地干扰气体分子扩散，最大程度上提高其气体通过的选择性。

MOF膜用作气体分离已经被广泛研究，但是MOF膜无法避免MOF颗粒排布间存在的孔隙，由此影响孔道的气体分离效果。MOF/聚合物复合膜，可以很大程度上避免纯MOF膜的上述问题，但是也存在很多挑战，具体如下：(1)传统的方法制备的MOF膜或者MOF/聚合物膜使用有机溶剂，昂贵且不环保；(2)传统的方法制备的MOF膜或者MOF/聚合物膜仍存在气体泄漏情况，进而影响材料的气体分离效果；(3)传统的方法制备的MOF/聚合物膜无法保证MOF在聚合物基材中均匀分散，从而限制复合材料气体分离效果；(4)传统聚合物基材的气体阻隔性能不佳，影响了MOF/聚合物膜的分离效果。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种气体分离选择性高、气体不易泄漏的羧甲基纤维素-沸石咪唑酯骨架结构纳米片复合气体分离膜。

本发明还提供该羧甲基纤维素-沸石咪唑酯骨架结构纳米片复合气体分离膜的制备方法与应用。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种羧甲基纤维素-沸石咪唑酯骨架结构纳米片复合气体分离膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将Zn(NO₃)₂·6H₂O和甲基咪唑分别溶于水中，然后将两者混合并在室温条件下反应2～4h，得到沸石咪唑酯骨架结构纳米片；

(2)将步骤(1)制备得到的沸石咪唑酯骨架结构纳米片置于质量分数为1％～2％的羧甲基纤维素水溶液中；先经超声分散，然后在搅拌状态下反应1～3h得复合悬浮液；

(3)将步骤(2)得到的复合悬浮液在40～60℃真空条件下干燥即得。

步骤(1)中，所述Zn(NO₃)₂·6H₂O以质量浓度0.8％～1.0％溶于水中；所述甲基咪唑以质量浓度1.3％～3.9％溶于水中。

步骤(1)中，所述Zn(NO₃)₂·6H₂O与甲基咪唑的摩尔比为1∶5～15，优选1∶10.5。

步骤(2)中，所述沸石咪唑酯骨架结构纳米片(ZIF-L纳米片)加入量为羧甲基纤维素水溶液质量的10％～70％，优选40％。

步骤(2)中，所述羧甲基纤维素的粘度为600～900mPa·s。

步骤(2)中，所述超声的条件为水浴超声，功率为200～300W，时间为2～10min。

步骤(2)中，所述搅拌状态的转速为200～400rpm。