PVDF/[Bmim][PF6]/ZIF-8混合基质膜的制备及CO2分离性能

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230337

摘要/Abstract

摘要：

混合基质膜因其加工性能好、分离效率高的优势在CO₂分离领域有较大的应用潜力.使用溶剂热法制备ZIF-8颗粒，将其与[Bmim][PF₆]一同作为分散相，聚偏氟乙烯作为连续相，制备混合基质膜.通过比表面积与孔径分析、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、热重分析和力学性能测试对制备材料的物理化学性能表征，研究ZIF-8含量与跨膜压力差对膜CO₂分离性能影响，评估膜长期运行的稳定性.结果表明：当ZIF-8在PVDF上的负载量（质量分数）为15%时，膜的CO₂分离性能达到最优，CO₂渗透系数与CO₂/N₂选择系数分别为679.26×10^-7 cm³·cm·cm^-2·s^-1·MPa^-1与40.33.

关键词: 混合基质膜, CO₂分离, ZIF-8, 离子液体, 聚偏氟乙烯

Abstract:

Mixed matrix membranes （MMMs） have an extensive application prospect in the field of CO₂ separation with good processing property and high efficiency for separation. To prepare mixed matrix membranes， ZIF-8 was prepared through solvothermal methods. ZIF-8 and ［Bmim］［PF₆］ were used as the dispersed phase， and polyvinylidene fluoride （PVDF） was served as a continuous phase. The physical and chemical properties of MMMs were characterized by BET， SEM， TEM， FT-IR， TG and mechanical property testing. The effects of ZIF-8 content and transmembrane pressure on the CO₂ separation performance of the membranes were studied， and the long-time stability of membranes was investigated. The results show that the best CO₂ permeability of MMMs is 679.26×10^-7 cm³·cm·cm^-2·s^-1·MPa^-1 with the CO₂/N₂ selectivity of 40.33 when mass fraction of ZIF-8 loaded on the PVDF is 15%， and it shows excellent CO₂ separation performance.

Key words: mixed matrix membranes（MMMs）, CO₂ separation, ZIF-8, ionic liquid, polyvinylidene fluoride（PVDF）

中图分类号:

TS 174

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图/表 15

图1 混合基质膜制备流程图

Fig.1 Preparation schematic of MMMs

表1 铸膜液组成

Table 1 Composition of casting solution

名称	m/g
名称	PVDF	[Bmim][PF₆]	ZIF-8	DMF
P-0	2.8	—	—	17.20
PZ-0	2.8	—	0.42	16.78
PBZ-0	2.8	1.4	—	15.80
PBZ-5	2.8	1.4	0.14	15.66
PBZ-10	2.8	1.4	0.28	15.52
PBZ-15	2.8	1.4	0.42	15.38
PBZ-20	2.8	1.4	0.56	15.24

图2 气体分离性能测试装置示意图

Fig.2 Schematic of gas separation performance testing

图3 ZIF-8的微观形貌（a）—扫描电子显微镜照片；（b）—透射电子显微镜照片.

Fig.3 Microcosmic appearance of ZIF-8

图4 ZIF-8与[Bmim][PF6]的热重曲线

Fig.4 TG curves of ZIF-8 and [Bmim][PF6]

图5 ZIF-8和[Bmim][PF6]的FT-IR表征

Fig.5 FT-IR characterization of ZIF-8 and [Bmim][PF6]

图6 ZIF-8的氮气吸附曲线及孔径分布（a）—ZIF-8的氮气吸附曲线；（b）—ZIF-8孔径分布.

Fig.6 N2 sorption isotherm and pore size distribution of ZIF-8

图7 混合基质膜表面的SEM图像（a）—P-0；（b）—PZ-0；（c）—PBZ-0；（d）—PBZ-5；（e）—PBZ-10；（f）—PBZ-15；（g）—PBZ-20.

Fig.7 SEM image of MMMs surface

图8 混合基质膜的TG和DTG曲线（a）—TG曲线；（b）—DTG曲线.

Fig.8 TG and DTG curves of MMMs

图9 混合基质膜的FT-IR谱图

Fig.9 FT-IR spectrogram of MMMs

图10 混合基质膜的力学性能表征

Fig.10 Characterization of mechanical property of MMMs

图11 ZIF-8含量对混合基质膜的CO2/N2分离性能的影响

Fig.11 Effect of ZIF-8 content on CO2/N2 separation performance of the MMMs

图12 跨膜压力差对混合基质膜的CO2/N2分离性能的影响（a）—CO2渗透性；（b）—CO2/N2选择性.

Fig.12 Effect of transmembrane pressure on CO2/N2 separation performance of the MMMs

图13 混合基质膜PBZ-15的稳定性

Fig.13 The stability of PBZ-15 MMMs

图14 混合基质膜的CO2/N2分离性能对比

Fig.14 Comparison of CO2/N2 separation performance of the MMMs

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Preparation and CO₂ Separation Properties of PVDF/[Bmim][PF₆]/ZIF-8 Mixed Matrix Membranes

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