目前，日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，已經(jīng)引發(fā)了有關(guān)可持續(xù)能源戰(zhàn)略的政治辯論和行動(dòng)，包括使用生物能源來(lái)生產(chǎn)生物燃料，作為化石燃料的替代品。沼氣是目前備受關(guān)注的生物能源之一，它不僅是替代天然氣或液化石油的高價(jià)值可再生能源，而且還減少了固體廢物的處理量。沼氣是生物廢物厭氧消化產(chǎn)生的混合氣體，其組成在很大程度上取決于工藝類型和來(lái)源。在現(xiàn)有的各種氣體分離技術(shù)中，膜分離技術(shù)尤其具有吸引力，因?yàn)樗哂性S多優(yōu)點(diǎn)，如更低的能耗、更小的占地面積和更容易設(shè)計(jì)的模塊。盡管有人提出了幾種膜基工藝用于沼氣的升級(jí)，但它們?nèi)匀粵](méi)有達(dá)到其它傳統(tǒng)技術(shù)的商業(yè)價(jià)值和效率，如水洗、變壓吸附或胺化學(xué)吸附等。

金屬有機(jī)框架(MOFs)具有**的CO₂吸附選擇性，混合基質(zhì)膜(MMMs)已被確定為促進(jìn)膜分離技術(shù)發(fā)展的潛在解決方案。近日，葡萄牙新里斯本大學(xué)的Luísa A. Neves等人研究了MOF與混合基質(zhì)膜的結(jié)合效果，與CH₄ (MOF-5)相比，使用混合的聚(離子液體)/離子液體(PIL/IL)對(duì)CO₂具有較高的吸附性能。共混體系由吡咯烷酮基的PIL,poly([Pyr₁₁][Tf₂N])和自由咪唑啉酮基的IL[C₂mim][BETI]組成，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖2所示。

圖2. 在這項(xiàng)工作中用來(lái)制備PIL/IL和PIL/IL/MOF膜的PIL、IL和MOF的化學(xué)結(jié)構(gòu)

（圖片來(lái)源：Ind. Eng. Chem. Res.）

起初，研究人員將MOF-5在不同負(fù)載的離子液體(10、20、30 wt %)下?lián)饺耄ㄟ^(guò)溶劑蒸發(fā)法制備MMMs，并通過(guò)FTIR對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。制備的PIL/IL/MOF-5膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)通過(guò)FTIR光譜得到了確認(rèn)，如圖3所示，MOF-5的紅外圖譜與之前發(fā)表的文獻(xiàn)相似。

接著，研究人員對(duì)制備的MMMs膜的表面性質(zhì)進(jìn)行表征，PIL/IL膜和分別占MOF-5 10%、20%、30% wt %的MMMs的SEM橫截面圖像如圖4所示。在所有測(cè)試的MOF-5載荷下，MOF-5顆粒被成功地結(jié)合到PIL/IL復(fù)合基體中，此外，由于沒(méi)有發(fā)現(xiàn)結(jié)塊或明顯的變形，MOF在PIL/IL基質(zhì)中有致密的膜形態(tài)和均勻的彌散。值得注意的是，對(duì)于所有制備的膜，都有可能識(shí)別出一些隨機(jī)分布的孔，這些孔可能與室溫制備膜時(shí)溶劑蒸發(fā)速率有關(guān)，因?yàn)樵诰酆衔锍恋磉^(guò)程中會(huì)有大量的丙酮蒸發(fā)流出。

此外，研究人員通過(guò)不同的技術(shù)(TGA、穿刺試驗(yàn)、單一氣體輸送)對(duì)其熱穩(wěn)定性、氣體分離效率等進(jìn)行表征。結(jié)果表明，游離IL與PIL混合后，MOF-5顆粒均勻分散在PIL/IL基體中，形成的PIL/IL/MOF-5膜具有適宜的熱穩(wěn)定性(T_onset 能達(dá)到656 K)，可用于沼氣升級(jí)過(guò)程，但加入MOF-5后MMMs膜的機(jī)械穩(wěn)定性下降，獲得了更加堅(jiān)硬且脆弱的膜。在MOF-5中加載30 wt %離子液體時(shí)，與原始PIL/IL膜相比，CO₂滲透率增加了133%，這主要是由于MOF的吸附能力以及其多孔結(jié)構(gòu)所致。多孔結(jié)構(gòu)的存在也可能是MMMs在高載荷下選擇性降低88%的主要原因。雖然需要進(jìn)一步的研究來(lái)實(shí)現(xiàn)具有更好性能的PIL/IL/MOF，但是這項(xiàng)工作的結(jié)果打開了在分子水平上理解每個(gè)成分作用的相關(guān)性，以便更好地為沼氣升級(jí)設(shè)計(jì)調(diào)優(yōu)MMMs。

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.iecr.9b04206

原文作者：

Adriana M. Sampaio, Ana R. Nabais, Liliana C. Tomé and Luísa A. Neves

DOI: 10.1021/acs.iecr.9b04206