近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所無機(jī)膜與催化新材料研究組研究員楊維慎、副研究員班宇杰團(tuán)隊(duì),制備出致密、穩(wěn)定的異質(zhì)晶格共生型(hetero-lattice intergrown,HLI)金屬-有機(jī)骨架(metal-organic framework,MOF)膜,可實(shí)現(xiàn)多元醇與水高效分離,獲得聚合級乙二醇,與傳統(tǒng)減壓精餾相比,可節(jié)省能耗約32%,具備工業(yè)應(yīng)用前景。
乙二醇等短鏈多元醇是重要的化工原料,工業(yè)上主要以水合環(huán)氧乙烷和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化路線制備得到,其粗產(chǎn)品中含有大量水。滲透氣化膜分離技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)乙二醇與水的高效分離,但要求膜具備高度致密和穩(wěn)定的微結(jié)構(gòu),以應(yīng)對嚴(yán)苛的液相分離環(huán)境。目前,MOF膜的發(fā)展為高效化工分離帶來機(jī)遇,卻多應(yīng)用于溫和場景下的氣體分離。
基于上述問題,科研團(tuán)隊(duì)選取兩種不同晶格的MOF材料——MIL-53(Al)和amino-MIL-101(Cr),運(yùn)用分步模塊化學(xué)策略,構(gòu)建出致密、穩(wěn)定的HLI膜。研究首先在氧化鋁陶瓷載體表面構(gòu)筑棒狀MIL-53(Al)陣列基層,再通過二次溶液生長,使amino-MIL-101(Cr)納米粒子嵌入MIL-53陣列間隙;采用高分辨掃描、透射電子顯微技術(shù)與二維拓?fù)淠M研究發(fā)現(xiàn),兩種材料在特定化學(xué)環(huán)境下的生長互補(bǔ)以及異質(zhì)晶格間的緊密連接,是獲得致密且穩(wěn)定HLI結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。
研究發(fā)現(xiàn),HLI膜呈現(xiàn)優(yōu)異的乙二醇脫水分離性能,連續(xù)運(yùn)行675小時性能保持不變;可耐受反復(fù)的超聲波沖擊,10余次處理性能無衰減;可承受6bar的高壓氣體。經(jīng)過工業(yè)路線設(shè)計(jì)模擬,利用HLI膜滲透氣化技術(shù)進(jìn)行乙二醇脫水精制,其能耗與傳統(tǒng)減壓精餾技術(shù)相比,降低約32%。
相關(guān)研究成果以Hetero-Lattice Intergrown and Robust MOF Membranes for Polyol Upgrading為題,發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上,并被選為Hot Paper。研究工作得到國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目的支持。