本专利涉及一种利用二维叶状沸石咪唑骨架(Zeolitic Imidazolate Frameworks,ZIF‑L)材料改善海藻酸钠渗透汽化膜制备方法。所述渗透汽化混合基质膜包括基膜和分离层膜,基膜采用聚丙烯腈(PAN)膜,分离层由ZIF‑L和海藻酸钠组成。本技术改善了ZIF‑L在膜中的分布,形成定向排列,提高复合膜膜的分离效果和选择性。采用新型工艺,消除ZIF‑L‑SA膜的缺陷问题,通过二次种子生长法制备连续超薄的ZIF‑L膜,改善了二维ZIF‑L膜的性能。ZIF‑L合成条件温和,方法简单,实现膜表面的亲水化改性,构建了内部水分子传输通道,提高膜的分离因子和稳定性。所制备的高通量渗透汽化膜具有广阔应用前景。
背景技术
渗透汽化膜技术是一种先进的膜分离技术,它利用特殊设计的高分子聚合物膜来实现液态混合物中各组分的高效分离。这项技术基于膜的选择性渗透和汽化原理,是20世纪末至21世纪初在膜科学领域的一项重要进展。渗透汽化膜技术以其操作简便、适应性强、能耗低、分离效率高和环境友好等特性受到重视。它能够实现分子级别的分离,并且不受传统的气液平衡限制,特别适合于处理那些采用常规分离手段(如蒸馏)成本高或效率低的体系,比如分离恒沸物、近沸物和热敏性物质。
海藻酸钠作为一种源自自然的多糖类物质,其在渗透汽化膜领域的应用展现出了独特的优势和特点。海藻酸钠相比于某些合成聚合物,成本相对较低,且来源广泛;海藻酸钠易于成型,可以通过简单的工艺如溶液浇铸、涂布等方式制备成膜,大大减轻了制膜难度;由于海藻酸钠分子链中含有大量的羟基和羧基,赋予了其较强的亲水性,有利于水分子的透过,大大增强了膜的渗透通量;海藻酸钠能够在遇到特定离子(如钙离子)时形成热不可逆凝胶,这一特性使得在膜的制备过程中可以通过简单的交联反应来调控膜的孔隙结构和机械强度,对提升膜的分离性能有重要作用。
但是海藻酸钠膜具有很强的亲水性,水稳定性较差,在高湿度环境下可能会吸水膨胀,影响其结构稳定性和分离性能;而且机械强度有限,未经改性的海藻酸钠膜具有较低的机械强度,易碎裂,限制了其在某些苛刻条件下的应用;选择性受限,虽然可以通过改性提高其分离性能,但天然的海藻酸钠膜在选择性方面可能不如一些专门设计的合成聚合物膜。
因此,为了改善膜的性能,需要将多孔和无孔填料掺入聚合物基质中,以调控聚合物和填料相之间的协同效应。ZIF-L具有沸石状拓扑结构,出色的热稳定性和化学稳定性,渗透性以及合适的孔径,有利于促进分子筛分,提高海藻酸钠膜的稳定性和分离性能。然而,目前实验所合成的ZIF-L材料存在生长取向混乱和界面缺陷等问题,降低了膜的分离性能。具有微妙互连的无界面缺陷的ZIF-L纳米片有助于形成连续的渗透路径。例如,中国发明申请202310934028.1揭示了一种高分子支撑的垂直金属有机框架复合膜的制备方法,其中ZIF-L层虽然满足了定向生长,但垂直方向的ZIF-L对乙醇与水的筛分效果不佳。ZIF-L具有水平取向平面上的六边形窗口状孔径和非常小的四元窗口(图五),位于水(2.68 Å)和乙醇(4.5 Å)的动力学直径之间,有望对水/乙醇混合物展现明显的筛分效果。研究表明,ZIF-L的生长取向随时间逐渐趋向于垂直方向,这是由晶体长度与宽度比值决定的。因此,需要人为调控,制备水平取向连续定向排序的ZIF-L层,以满足醇水分离纯化的需求。
实现思路