[发明专利]具有大孔径和超大孔容的有序ZIF-8基介孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了具有大孔径和超大孔容的有序ZIF‑8基介孔碳材料的制备方法和应用，实现了在糠醛和乙酸混合液中对糠醛的超高吸附性能以及高选择性。本发明以ZIF‑8为前驱体，在惰性气氛下，通过高温碳化获得富N的ZIF‑8基微孔碳材料，之后使用KOH进行活化，通过调节活化温度和N物种的协同效应制备了具有大孔径和超大孔容的有序ZIF‑8基介孔碳材料。本发明通过静态吸附、动态穿透以及脱附实验研究了具有大孔径和超大孔容的有序ZIF‑8基介孔碳材料对糠醛和乙酸混合溶液的选择性吸附分离。由于ZIF‑8基介孔碳独特的孔结构，高的比表面积和低的表面极性能够实现糠醛和乙酸混合液的选择性吸附分离，具有一定的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种具有大孔径和超大孔容的有序ZIF-8基介孔碳材料及其制备方法,以及该ZIF-8基介孔碳材料在选择性吸附分离糠醛或/和乙酸中的应用，属于无机功能材料应用领域。

背景技术

糠醛作为重要的生物基化学品，被广泛应用于合成塑料，医药，化工等工业领域。目前，糠醛的唯一生产路径是由半纤维素经强酸（稀硫酸、稀盐酸等）催化水解成戊糖，之后戊糖脱水环化生成；其主要原料来源主要为玉米芯，甘蔗渣，麦麸皮等农作物废料。在糠醛工业生产过程中，采用汽提法，将大量高压水蒸气引入水解装置并将糠醛及少量副产物带出，形成醛汽。其组成一般为4-6 wt.%的糠醛，1~2 wt.%的乙酸，少量甲醇、丙酮等低沸物和90~92 wt.%的水。由于糠醛在酸性条件下容易发生自聚生成不溶性的黑色树脂，所以需及时将糠醛和乙酸分开。

工业上通常采用五塔连续精馏进行糠醛提纯，其工艺成熟，产品质量稳定，但设备投资大，能耗成本高。而且工业上一般采用碱中和法回收乙酸，产生的乙酸钠会增加液体粘度，阻碍糠醛的蒸发，造成糠醛的进一步损失（中国专利CN101696196B，一种提高糠醛得率及回收甲醛的方法）。液液萃取法使用对糠醛有高溶解度的萃取剂（三氯乙烯，甲苯，乙酸乙酯，四氢呋喃等）对糠醛进行原位分离，可以避免使用大量水蒸汽，节省能耗。中国专利CN103772329 A 公开了一种从糠醛汽提蒸汽冷凝液中同时回收糠醛和醋酸的方法，使用含叔胺、正烷醇和含硝基芳烃衍生物的萃取剂将糠醛和乙酸同时萃取，之后采用精馏法分离糠醛和乙酸。该方法回收效率高，但未考虑萃取剂的毒性。渗透汽化也被用于研究糠醛溶液分离，但制备的聚氨酯脲膜、PDMS膜都存在通量低和trade-off现象，且并未考虑乙酸对分离体系的影响，不易工业化（U.K. Ghosh, N.C. Pradhan, B. Adhikari, Separation offurfural from aqueous solution by pervaporation using HTPB-based hydrophobicpolyurethaneurea membranes, Desalination. 208 (2007) 146–158. ；F. Qin, S. Li,P. Qin, M.N. Karim, T. Tan, A PDMS membrane with high pervaporationperformance for the separation of furfural and its potential in industrialapplication, Green Chem. 16 (2014) 1262–1273.）。

吸附法由于吸附速率快和选择性高的优点受到广泛关注，然而目前被研究吸附剂的分离体系多为糠醛-水体系，很少有考虑到乙酸对吸附剂的影响。中国专利CN 103214439A公开了一种分离提纯糠醛的方法，D141大孔树脂作为吸附剂被装入固定床填充柱中，同时将糠醛和乙酸分离提纯，降低分离能耗，提高了糠醛产率，但大孔树脂对糠醛的吸附量有限。所以需要找到一种能同时分离糠醛和乙酸，且对糠醛具有超高吸附量的吸附剂。

发明内容

本发明提供了具有大孔径和超大孔容的有序ZIF-8基介孔碳材料的制备方法，该方法通过溶剂热法制备ZIF-8晶体，之后ZIF-8经过碳化、KOH活化制备了具有30-60Å孔径和超大孔容的ZIF-8基介孔碳，将其应用于选择性吸附分离糠醛和乙酸中，实现了糠醛和乙酸的有效分离。