含有异形ZIF-8微晶叶的具有粗糙表面结构的全热交换膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于异形ZIF

【技术实现步骤摘要】
含有异形ZIF
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8微晶叶的具有粗糙表面结构的全热交换膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种基于异形ZIF
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8结晶微叶组成的超粗糙全热交换膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]金属
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有机框架(Metal
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Organic Frameworks)，简称MOFs，是由有机配体和金属离子或团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机
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无机杂化材料。多孔性及大的比表面积，结构与功能多样性以及不饱和的金属位点都使得MOFs材料在氢气存储、气体吸附与分离、传感器、药物缓释、催化反应等领域都有重要的应用。因此越来越多的研究者开始将MOFs材料与膜分离材料相结合，并且期望以此来打破trade
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off效应。不止气相分离，在液相分离方面也有众多的实验表明这一观点。无论是气相分离还是液相分离，甚至是渗透蒸发，MOFs的引入都为膜分离提供了优异的性能提升。
[0003]膜技术在能量回收和节能过程中的研究越来越广泛，从最开始的工业排放气回收和替代蒸馏等发展到现在利用全热交换装置回收空气中的能量。近几十年来，通风系统在建筑中越来越受欢迎。在夏季或冬季，由于换气过程中冷热损失，直接通风往往会给空调系统增加负荷。能量回收通风(Energy Recovery Ventilation，ERV)是指在通风过程中，通过与新风的热交换或焓交换，从排出的污浊空气中回收冷热，是一种节能的方法。而全热材料是ERV器件的核心部件，是多年来实验和理论研究的热点。空气能量回收装置根据其能量交换的形式，可分为单纯显热交换和全热(即同时包括显热和潜热)交换。显热是无化学变化和无相变吸收放出的能量，主要体现在温度的变化；潜热是物质发生相变的能量变化。因此，性能优异的全热交换膜需要具备较高的全热(即焓)交换效率，包括显热和潜热交换。解决能量回收问题的主要手段应该从两个方面来考虑：一是控制气体透过膜材料的量，防止污染新鲜空气；二是保持较高的水蒸气透过性能，以此获得空气中较高的汽化潜热。
[0004]利用MOF材料特殊的孔结构，较大的表面积，可控多变的形貌尺寸等特点，将其与具有优异的机械性能和较高孔隙率的支撑层结合能够有效地控制膜的透湿透气性能。基于ZIFs(Zeolitic Imidazolate Frameworks)纳米材料的颗粒大小、形状、内部孔结构和表面的基团可用于构建多种气体和液体分离膜。在本研究中，我们利用PEI(Polyethyleneimine)分子与金属离子的络合，将金属离子均匀分散聚砜超滤膜表面。并将ZIF
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8的各个生长阶段的瞬时态结晶体ZIF
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L(Zeolitic Imidazolate Framework
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leaves)覆盖到聚砜支撑层作为分离层，制备了一系列杂化膜。经过实验验证，其中的PEI/ZIF
‑
L杂化膜具有优异的透湿阻气性能，有望在全热交换膜领域作为新的突破，领先国际产品。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了ZIF
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8微晶叶的具有超粗糙表面结构的全热交换膜及其制备方法。通过此方法，ZIF
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L颗粒在膜表面原位形成，PEI分子通过与锌离子络合将ZIF
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L的金属单元
均匀分散在聚砜超滤膜表面，增强了ZIF
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L的与衬底的附着力，与PEI/ZIF
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8杂化膜相比，ZIF
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L的独特结构在膜表面构建了具有丰富三维孔隙结构的膜表面保证了膜的高孔隙率，高粗糙表面。制备的全热交换膜具有较高的阻气透湿性能和全热交换性能，同时具有优异的稳定性，工艺简单易操作等特点。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种基于异形ZIF
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8微晶叶的具有超粗糙表面结构的全热交换膜，全热交换膜分为聚合物支撑层和功能层，其功能层为包含亲水聚合物和异形ZIF
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8微晶叶材料的混合基质膜；
[0008]所述聚合物支撑层为由聚酯、聚烯烃、尼龙等聚合物中的一种或多种组成的纤维无纺布或纺织材料组成，其厚度为30
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300微米；
[0009]所述亲水聚合物的侧链上包含
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NH、
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NH2、
‑
OH、
‑
COOH、
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SO3H、—PO(OH2)等亲水基团及其盐中的一种或几种，如聚乙烯亚胺，聚乙烯醇，聚多巴胺等。
[0010]所述异形ZIF
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8微晶叶材料包括叶片状，十字状，剑刃状，圆片状，棱锥形，十字棱锥形，花瓣状，球状以及菱形十二面体等多种形状；所述异形ZIF
‑
8微晶叶粒子尺寸在50nm
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20μm之间。
[0011]一种基于异形ZIF
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8微晶叶的具有超粗糙表面结构的全热交换膜的全热交换膜制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)将所述亲水聚合物与锌类化合物溶于去离子水中；
[0013](2)将支撑材料用方形板框固定在底板上，并将上述溶液加入板框内静置一段时间；
[0014](3)将咪唑类配体溶于去离子水中，并加入到上述板框内反应一段时间；
[0015](4)倒掉框内上清液，将所述成品膜在一定温度下干燥成膜。
[0016]所述的含有锌离子的主体包括硝酸锌、氯化锌、硫酸锌、醋酸锌等中的一种或多种；
[0017]所述的咪唑类配体包含2
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甲基咪唑；
[0018]所述步骤(1)中聚乙烯亚胺的质量分数为1～5％；锌离子的摩尔浓度为0.001～0.01mol/L；
[0019]所述的步骤(2)中静置时间为0.01～6h；
[0020]所述的步骤(3)中咪唑类配体的添加量为0.01～0.1mmol；反应温度为5～90℃，反应时间0.1～48h；
[0021]所述的步骤(3)中反应溶液中锌离子与咪唑的摩尔比例为1：1
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1：60，优化比例为1：5
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1：40；
[0022]所述的步骤(4)中膜干燥温度为20
‑
90℃；
[0023]所述的聚合物分离膜，包括平板膜、中空纤维均质膜、或中空复合膜与管式膜。
[0024]进一步优选地，由异形ZIF
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8结晶微叶(ZIF
‑
L)组成超粗糙全热交换膜的可控制备方法，所述方法按照如下步骤进行：
[0025](1)以去离子水为溶剂，加聚乙烯亚胺PEI为交联剂配置质量分数为0.1
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5wt％(优选0.4
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0.8wt％)的PEI水溶液；
[0026](2)取锌类化合物配置成摩尔浓度为0.001
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于异形ZIF
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8微晶叶的具有粗糙表面结构的全热交换膜，其特征在于：包括支撑层以及设置在所述支撑层上的功能层，所述的功能层包含聚乙烯亚胺和异形ZIF
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8微晶叶材料。2.根据权利要求1所述的基于异形ZIF
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8微晶叶的具有粗糙表面结构的全热交换膜，其特征在于：所述支撑层为聚合物支撑层，所述聚合物支撑层由聚酯、聚烯烃、尼龙中的一种或多种组成的纺织材料组成，其厚度为30
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300微米。3.根据权利要求1所述的基于异形ZIF
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8微晶叶的具有粗糙表面结构的全热交换膜，其特征在于：所述异形ZIF
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8微晶叶材料的形状为叶片状、十字状、剑刃状、圆片状、棱锥形、十字棱锥形、花瓣状、球状、菱形十二面体多种形状中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的基于异形ZIF
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8微晶叶的具有粗糙表面结构的全热交换膜，其特征在于：所述异形ZIF
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8微晶叶材料的粒子尺寸在50nm
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20μm。5.权利要求1～4任一项所述的基于异形ZIF
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8微晶叶的具有粗糙表面结构的全热交换膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)将聚乙烯亚胺与锌类化合物溶于去离子水中，得到聚合物溶液；(2)将支撑材料用方形板框固定在底板上，并将聚合物溶液加入板框内静置；(3)将咪唑类配体溶于去离子水中，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛立新，李士洋，涂龙斗，马俊梅，林明杰，吕子轩，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：