CN115282782A - 一种掺有功能化zif-7纳米粒子的全热交换膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺有功能化ZIF‑7纳米粒子的全热交换膜,包括超滤膜支撑层、聚酰胺分离层和功能化ZIF‑7纳米粒子;所述的聚酰胺分离层分布于超滤膜支撑层的表面和孔洞内;所述的功能化ZIF‑7纳米粒子分布在聚酰胺分离层内。本发明通过调控ZIF‑7纳米粒子的配体结构,实现对ZIF‑7纳米粒子的功能化,并成功在界面聚合过程中添加功能化ZIF‑7粒子。实现了在聚酰胺分离层中掺杂功能化ZIFs纳米粒子,可有效调控相界面相互作用力,避免界面空隙,精准构建快速传输选择性“微观通道”,同时增加膜的机械性能,增加膜表面粗糙度,增加分离层的表面积,从而提高透湿、阻气和热回收效率。
Description
技术领域
本发明属于透湿阻气与热回收领域,具体涉及一种掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜及其制备方法。
背景技术
我国电力能源消耗近三分之一用于居民楼及商城,而在其中又有将近一半的电力用于空调。另外,人们有80%以上的时间在室内度过,所以在空调的频繁使用过程中,通风显得极为重要。出于节约能源,保护环境和身体健康的角度,使用全热交换节能原理的通风***在保持人体健康和节能方面发挥着重要作用。利用室外新鲜空气交换室内污染空气(如二氧化碳、甲醛等有害气体)来改善室内空气质量的同时,为了减少调节新鲜空气温度所需的能量,科学家们设计了全热交换器作为节能型新风***的核心装备来使室外新鲜空气与室内污染空气之间进行能量回收。随着膜技术的快速发展,以膜为热回收介质的全热交换器在含有ZIF纳米粒子的改性下,在保障通风效果的前提下,能达到很好能量回收以及气体(如CO2)阻隔效果。
全热交换器是通过全热交换膜作为媒介,通过显热交换和潜热交换获得高效率的回收。显热交换无传质过程,仅使新风和排风通过能量传递,从而发生温度的变化;而潜热交换则是在新风和排风之间发生水蒸汽质量交换,从而调节空气中水汽浓度,引起水汽潜热的增加或减少,达到节能的目的。由于空气中水蒸气的汽化潜热很高,所以在湿空气中的能量比重较大。因此,室内外空气的全热交换的潜热贡献率远远大于显热贡献率。因此,为了提高全热交换器的能量回收率,保障封闭空间内的新鲜空气,提高全热交换膜的透湿阻气性能是重要的研究方向。
就目前而言,全热交换设备的核心部件全热交换膜大多采用商业的纸膜,这种膜存在以下缺点:1、纸膜是一种全透膜,不能有效阻隔CO2气体,同时机械性能差;2、纸膜不阻燃,并且在使用中容易发霉,对空气造成二次污染;3、透湿性和气体阻隔性两者之间存在的“trade-off”。由界面聚合构建的复合聚酰胺全热交换膜存在边界缺陷,还有不同程度的气体漏过性。前人试图在膜中加入纳米粒子如蒙脱石,二氧化硅,ZIF-7,想通过提高膜的亲水性或者在膜中构建选择性“微观通道”来提高膜的透湿性能,然而由于纳米粒子的团聚现象,会使膜出现界面空隙,出现漏气现象,导致膜的气体的阻隔性能降低。为了得到超高气体阻隔的全热交换膜,在保证热交换效率的基础上,找到合理处理的方法是必要的。
发明内容
为了克服现有全热交换膜的不足之处,本发明提供了一种掺有功能ZIF-7纳米粒子的全热交换膜及其制备方法。本发明的全热交换膜由超滤膜支撑层、聚酰胺分离层和分布在聚酰胺层内的功能化ZIF-7纳米粒子构成。其制备过程为:将功能化ZIF-7纳米粒子加入油相中,用界面聚合方法形成添加功能化ZIF-7纳米粒子的聚酰胺超薄分离层。功能化ZIF-7纳米粒子,可有效调控相界面相互作用力,避免界面空隙,增加膜的致密性,精准构建快速传输选择性“微观通道”,同时增加膜的机械性能,阻燃性能,增加膜表面粗糙度,增加分离层的表面积,从而提高透湿、阻气和热回收效率。本发明制备的全热交换膜具有高透湿、高阻气和高热回收效率的特性,且制备方法简单可行、易于操作,可适用于空气能量回收,室内空气净化,新风***以及化工环保领域,具有良好的工业化应用前景。
本发明的技术方案如下:
一种掺有功能ZIF-7纳米粒子的全热交换膜,包括:超滤膜支撑层、聚酰胺分离层、分布在聚酰胺层内的功能化ZIF-7纳米粒子;
所述超滤膜支撑层可由聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚芳砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯中的一种或者多种制备而成;
所述超滤膜含有直径1nm~0.2μm的孔洞,聚酰胺小部分位于超滤膜的孔洞中,大部分位于超滤膜一侧表面。
所述聚酰胺分离层由水相胺类单体与油相酰氯单体通过界面聚合制备成;
所述功能化ZIF-7纳米粒子包括但不仅限于ZIF-7-NH2、ZIF-7-OH、ZIF-7-CH3、ZIF-7-CH2OH、ZIF-7-C2H5、ZIF-7-C3H7等功能化ZIF-7纳米粒子中的一种或多种的组合;所述功能化ZIF-7纳米粒子的粒径在20~500nm。
一种掺有功能ZIF-7纳米粒子的全热交换膜的制备方法,所述制备方法为:
(1)功能化ZIF-7纳米粒子的合成
将金属前体溶液与配体溶液混合,在室温(20~30℃)下搅拌反应0.5~12h,之后离心收集纳米级固体粒子,清洗(用甲醇),真空干燥(50~120℃,6~12h),得到功能化ZIF-7纳米粒子;
所述金属前体溶液的浓度为0.01~1mol/L,溶剂为DMF(N,N-2甲基甲酰胺),金属前体选自氧化锌、硝酸锌、氯化锌、硫酸锌、醋酸锌等中的一种或多种;
所述配体溶液的浓度为0.01~1mol/L,溶剂为甲醇,配体为苯并咪唑和含功能基团的苯并咪唑的混合物;所述含功能基团的苯并咪唑选自2-氨基苯并咪唑、2-羟基苯并咪唑、2-甲基苯并咪唑、2-羟甲基苯并咪唑、2-乙基苯并咪唑、2-丙基苯并咪唑等苯并咪唑中的一种或多种;
所述金属前体溶液与配体溶液的体积比为1:1;
(2)制膜溶液的配制
室温下,将胺类单体溶于去离子水制成水相溶液,将酰氯单体溶于有机溶剂并加入步骤(1)所得功能化ZIF-7纳米粒子,超声分散均匀,得到油相溶液,备用;
所述水相溶液中,胺类单体的质量分数为0.01~5%(优选1~3%),胺类单体包括但不限于哌嗪、间苯二胺、邻苯二胺、对苯二胺、乙二胺、己二胺、1,4-丁二胺、4,4-二氨基二苯醚、4,4,-二氨基二苯甲烷、邻联苯甲胺、1,2-丙二胺、1,3-丙二胺、2,4-二氨基甲苯、1,2-环己二胺、4,5-二氯邻苯二胺、二乙烯三胺、均苯三胺及其衍生物中的一种或多种;
所述油相溶液中,酰氯单体的质量分数为0.01~5%(优选0.1~0.5%),功能化ZIF-7纳米粒子的质量分数为0.001~5%(优选0.03~1%),有机溶剂选自正己烷、正庚烷、正辛烷、正十二烷、异十二烷、异十六烷等烷烃类中的一种或多种,酰氯单体包括但不仅限于间苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯、邻苯二甲酰氯、均苯三甲酰氯、多元芳香磺酰氯及其衍生物中的一种或多种;
(3)界面聚合制备聚酰胺层
室温下,先将超滤膜支撑层浸没于水相溶液中1~10min(优选2~5min),然后取出排除膜表面过量的水相溶液,再将超滤膜支撑层浸没于油相溶液中20s~10min(优选30s~2min)中发生界面聚合反应,之后取出于空气中晾干,在超滤膜支撑层表面形成添加功能化ZIF-7纳米粒子的聚酰胺层;
(4)后处理
在50~90℃(优选60~80℃)下对膜进行热处理5~30min(优选8~20min),得到掺有功能ZIF-7纳米粒子的全热交换膜。
本发明制得的掺有功能ZIF-7纳米粒子的全热交换膜的类型包括平板膜、中空纤维均质膜或中空复合膜与管式膜。
本发明的有益效果在于:
通过调控ZIF-7纳米粒子的配体结构,实现对ZIF-7纳米粒子的功能化,并成功在界面聚合过程中添加功能化ZIF-7粒子。实现了在聚酰胺分离层中掺杂功能化ZIFs纳米粒子,可有效调控相界面相互作用力,避免界面空隙,精准构建快速传输选择性“微观通道”,同时增加膜的机械性能,增加膜表面粗糙度,增加分离层的表面积,从而提高透湿、阻气和热回收效率。
功能化ZIF-7纳米粒子通过形成氢键或配位键与聚酰胺(PA)膜相互作用,从而在不引入严重缺陷的情况下增加结合亲和力,所以ZIFs纳米粒子可以固定在聚酰胺层里和表面,精准构建快速传输选择性“微观通道”;同时纳米粒子可以通过表面功能化、控制晶体尺寸和形貌来微调以达到高透湿性和高气体阻隔性的目的。
本发明掺有功能ZIF-7纳米粒子的全热交换膜,所制备的全热交换膜比添加未功能化的ZIFs纳米粒子所制备的全热交换膜具有更高透湿、阻气和热回收性能,且制备方法简单可行、易于操作,适用于空气全热回收,空调暖通能量回收,室内空气净化,空气除湿与热湿回收,化工环保领域。
附图说明
图1是掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜的制备工艺流程图。
图2是(a)对比例1、(b)实施例3、(c)实施例5与(d)实施例6所制备的聚酰胺分离层的电子显微镜图;
图3是ZIF-7纳米粒子与功能化ZIF-7纳米粒子的红外图。
图4是对比例1的空白全热交换膜、对比例2的掺有未功能化的ZIF-7纳米粒子的全热交换膜与实施例1-6所制备的全热交换膜的性能测试图,其中(a)为水蒸气、CO2透过量图,(b)为全热交换效率数据图。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步描述本发明,但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例中所有全热交换膜制备的室内环境为:温度为25℃,湿度为45%,常压。
实施例中使用的聚砜超滤膜支撑层购自杭州水处理中心。
实施例1:
制备掺有功能ZIF-7纳米粒子的全热交换膜。其制备方法的具体步骤如下:
(1)将5mmol Zn(NO3)2·6H2O溶于50ml DMF,配成Zn2+溶液;将5mmol苯并咪唑和5mmol 2-氨基苯并咪唑溶于50ml甲醇配成咪唑溶液;在室温下将咪唑溶液迅速倒入Zn2+溶液,搅拌6h,得到乳白色的ZIF-7-NH2分散液。高速离心收集所得到的纳米级ZIF-7-NH2粒子,用甲醇清洗得到纯ZIF-7-NH2,120℃真空干燥12h可得到固体粉末状ZIF-7-NH2;
(2)先将超滤膜支撑层浸没于在2wt%MPD(间苯二胺)溶液中3min,在其表面形成水相液层,取出后晾干膜表面过量的水相溶液,再将超滤膜支撑层浸没于0.1wt%TMC(均苯三甲酰氯)和0.05wt%ZIF-7-NH2的正己烷溶液中1min,发生界面聚合反应,取出在空气中晾干,然后在70℃热处理15min,烘干得到掺有氨基功能化ZIF-7纳米材料的全热交换膜。
实施例1所制备掺有氨基功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜水蒸气渗透率,CO2渗透率、焓交换效率见图4,水蒸气渗透率为571.71GPU,CO2渗透率为16.72GPU,湿交换43.76%,焓交换效率为62.73%,热交换96.08%。
实施例2:
实施例2其余部分与实施例1的方法相同,不同之处为将实施例1步骤(1)中的5mmol 2-氨基苯并咪唑换成5mmol 2-羟基苯并咪唑;
实施例2所制备的一种功能化ZIF-7纳米材料改性的全热交换膜水蒸气渗透率,CO2渗透率、焓交换效率见图4,水蒸气渗透率为580.24GPU,CO2渗透率为27.93GPU,湿交换44.83%,焓交换效率为63.51%,热交换96.91%。
实施例3:
实施例3其余部分与实施例1的方法相同,不同之处为将实施例1步骤(1)中的5mmol苯并咪唑换成5mmol 2-甲基苯并咪唑;
实施例3所制备的一种功能化ZIF-7纳米材料改性的全热交换膜水蒸气渗透率,CO2渗透率、焓交换效率见图4,水蒸气渗透率为614.61GPU,CO2渗透率为34.09GPU,湿交换45.59%,焓交换效率为63.03%,热交换96.88%。
实施例4:
实施例4其余部分与实施例1的方法相同,不同之处为将实施例1步骤(1)中的5mmol苯并咪唑换成5mmol 2-羟甲基苯并咪唑;
实施例4所制备的一种功能化ZIF-7纳米材料改性的全热交换膜水蒸气渗透率,CO2渗透率、焓交换效率见图4,水蒸气渗透率为587.63GPU,CO2渗透率为21.46GPU,湿交换43.64%,焓交换效率为61.97%,热交换96.08%。
实施例5:
实施例5其余部分与实施例1的方法相同,不同之处为将实施例1步骤(1)中的5mmol苯并咪唑换成5mmol 2-乙基苯并咪唑;
实施例5所制备的一种功能化ZIF-7纳米材料改性的全热交换膜水蒸气渗透率,CO2渗透率、焓交换效率见图4,水蒸气渗透率为623.06GPU,CO2渗透率为27.86GPU,湿交换46.19%,焓交换效率为63.73%,热交换96.77%。
实施例6:
实施例6其余部分与实施例1的方法相同,不同之处为将实施例1步骤(1)中的5mmol苯并咪唑换成5mmol 2-丙基苯并咪唑;
实施例6所制备的一种功能化ZIF-7纳米材料改性的全热交换膜水蒸气渗透率,CO2渗透率、焓交换效率见图4,水蒸气渗透率为624.65GPU,CO2渗透率为20.42GPU,湿交换45.88%,焓交换效率为62.42%,热交换96.75%。
实施例3、5、6制得的聚酰胺分离层如图2(b)(c)(d)所示,可以在聚酰胺层上看到明显的功能化ZIFs纳米粒子,粒子的粒径在30~200nm。
对比例1:
步骤(1):先将超滤膜支撑层浸没于在2wt%MPD溶液中3min,在其表面形成水相液层,取出后排除膜表面过量的水相溶液;
步骤(2):再将超滤膜支撑层浸没于0.1wt%TMC正己烷溶液中1min,发生界面聚合反应,取出在空气中晾干,然后在70℃热处理10min,烘干得到空白全热交换膜。
图2(a)为对比例1制得的聚酰胺分离层的电子显微镜图,电镜图中只能看到不含纳米粒子的聚酰胺层。
对比例1所制备的一种未添加ZIFs纳米粒子的全热交换膜水蒸气渗透率,CO2渗透率、焓交换效率见图4,水蒸气渗透率为586.07GPU,CO2渗透率为152.59GPU,湿交换40.35%,焓交换效率为60.83%,热交换95.15%。
对比例2:
对比例2与实施例1的方法相同,不同之处为将实施例1步骤(1)中的5mmol苯并咪唑和5mmol 2-氨基苯并咪唑换成10mmol苯并咪唑;
对比例2所制备的掺有未功能化的ZIF-7纳米粒子的全热交换膜水蒸气渗透率,CO2渗透率、焓交换效率见图4,水蒸气渗透率为589.05GPU,CO2渗透率为77.49GPU,湿交换42.76%,焓交换效率为61.91%,热交换95.99%。
所有实施例和对比例的CO2渗透率测试条件:温度25℃,采用压差法测试;焓交换效率测试条件:新风温度35℃,RH40%;排风温度25℃,RH25%。
本发明所述的掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜,将功能化ZIF-7纳米粒子加入油相中,用界面聚合方法形成掺有功能化ZIF-7纳米粒子的聚酰胺超薄皮层,保证了高透湿、高阻气和高热回收效率,与对比例相比不仅有极低的CO2气体透过率(10-40GPU),而且保持同等焓交换效率(60-65%)。同时制备方法简单可行、易于操作、成本低,可适用于空气能量回收,气体分离,室内新风***以及化工环保领域。
本发明并不仅限于上述实施例,只要符合本发明要求,均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜,其特征在于,包括超滤膜支撑层、聚酰胺分离层和功能化ZIF-7纳米粒子;
所述的聚酰胺分离层分布于超滤膜支撑层的表面和孔洞内;
所述的功能化ZIF-7纳米粒子分布在聚酰胺分离层内。
2.如权利要求1所述的掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜,其特征在于,所述超滤膜支撑层的材质为聚砜、聚醚砜、聚醚酮、聚芳砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯中的一种或者多种。
3.如权利要求1所述的掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜,其特征在于,所述的功能化ZIF-7纳米粒子包括ZIF-7-NH2、ZIF-7-OH、ZIF-7-CH3、ZIF-7-CH2OH、ZIF-7-C2H5、ZIF-7-C3H7中的一种或多种,其粒径为20~500nm。
4.如权利要求1所述的掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜,其特征在于,所述全热交换膜的类型为平板膜、中空纤维均质膜或中空复合膜与管式膜。
5.如权利要求1所述的掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)功能化ZIF-7纳米粒子的合成
将金属前体溶液与配体溶液混合,在室温下搅拌反应,之后离心收集纳米级固体粒子,甲醇清洗,真空干燥,得到功能化ZIF-7纳米粒子;
(2)制膜溶液的配制
室温下,将胺类单体溶于去离子水制成水相溶液,将酰氯单体溶于有机溶剂并加入步骤(1)所得功能化ZIF-7纳米粒子,超声分散均匀,得到油相溶液,备用;
(3)界面聚合制备聚酰胺层
室温下,先将超滤膜支撑层浸没于水相溶液中1~10min,然后取出,排除膜表面过量的水相溶液,再将超滤膜支撑层浸没于油相溶液中20s~10min发生界面聚合反应,之后取出于空气中晾干,在超滤膜支撑层表面形成含有功能化ZIF-7纳米粒子的聚酰胺层,得到复合膜;
(4)后处理
在50~90℃下对步骤(3)所得的复合膜进行热处理5~30min,得到掺有功能ZIF-7纳米粒子的全热交换膜。
6.如权利要求5所述的掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述金属前体溶液与配体溶液的体积比为1:1,搅拌反应的条件为,在20~30℃下搅拌0.5~12h;真空干燥的条件为:在50~120℃下干燥6~12h。
7.如权利要求5所述的掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中:
所述金属前体溶液的浓度为0.01~1mol/L,溶剂为N,N-2甲基甲酰胺DMF,金属前体选自氧化锌、硝酸锌、氯化锌、硫酸锌、醋酸锌中的一种或多种;
所述配体溶液的浓度为0.01~1mol/L,溶剂为甲醇,配体为苯并咪唑和含功能基团的苯并咪唑的混合物,所述含功能基团的苯并咪唑选自2-氨基苯并咪唑、2-羟基苯并咪唑、2-甲基苯并咪唑、2-羟甲基苯并咪唑、2-乙基苯并咪唑、2-丙基苯并咪唑中的一种或多种。
8.如权利要求5所述的掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中:
所述水相溶液中,胺类单体的质量分数为0.01~5%,胺类单体包括但不限于哌嗪、间苯二胺、邻苯二胺、对苯二胺、乙二胺、己二胺、1,4-丁二胺、4,4-二氨基二苯醚、4,4,-二氨基二苯甲烷、邻联苯甲胺、1,2-丙二胺、1,3-丙二胺、2,4-二氨基甲苯、1,2-环己二胺、4,5-二氯邻苯二胺、二乙烯三胺、均苯三胺中的一种或多种;
所述油相溶液中,酰氯单体的质量分数为0.01~5%,功能化ZIF-7纳米粒子的质量分数为0.001~5%,有机溶剂选自正己烷、正庚烷、正辛烷、正十二烷、异十二烷、异十六烷中的一种或多种,酰氯单体包括间苯二甲酰氯、对苯二甲酰氯、邻苯二甲酰氯、均苯三甲酰氯、多元芳香磺酰氯中的一种或多种。
9.如权利要求5所述的掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,超滤膜支撑层浸没于水相溶液中的时间为2~5min,浸没于油相溶液中的时间为30s~2min。
10.如权利要求5所述的掺有功能化ZIF-7纳米粒子的全热交换膜的制备方法,其特征在于,步骤(4)中,后处理的温度为60~80℃,时间为8~20min。
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