一种电合成ZIF-8膜在N2/SF6分离中的应用

本发明属于纳米膜及膜法气体分离领域，具体涉及一种电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用。

背景技术：

1、sf6是一种不易燃、无毒、无味、无臭、无色的气体。它的这些特性和高介电性能使sf6在高压电器、电力传输和配电系统以及断路器、气体绝缘开关设备(gis)和变压器等领域及设备中应用广泛。sf6价格昂贵，除了半导体行业仍需要高纯度的sf6外，在大多是行业中，都是使sf6和n2等惰性气体混合以稀态使用。随着经济社会的快速发展，sf6的使用也越来越广泛，与此同时人们发现在空气中检测到的sf6的量正逐年升高。sf6是一种极强温室气体，它具有比co2更强的向上辐射能力，在空气中的寿命最长可达500年，它的全球变暖能力是我们熟知的co2的23900倍以上。sf6与co2、ch4和n2o在1997年被《京都议定书》列为四种受管制的温室气体之一。目前急需制备一种具有优良n2/sf6分离性能的膜，用于回收废旧电器以及大气中的sf6，实现sf6的再利用并降低该气体对环境的负面影响。目前用于分离体系的膜主要有聚合物膜和分子筛膜，聚合物膜对于n2的低通量和存在气体通量和选择性之间的trade-off效应，所以其对于n2/sf6分离性能极低(最高n2通量为4gpu，n2/sf6选择性为66)。在分子筛膜对n2/sf6分离中，cha分子筛膜对n2的渗透率为2678gpu,对n2/sf6的最大理想选择性为25.3。mfi膜在2bar下具有较高的n2渗透性(2000gpu)和较低的n2/sf6选择性(<50)，sapo-34膜n2/sf6选择性(>500)和较低的透性(<600gpu)。这些分子筛膜在n2/sf6分离中相对于聚合物膜提高了一部分通量和选择性，但是合成分子筛膜大都使用二次生长的方法，该方法需要高温下进行，耗能高，成膜时间长(>10h)，不利于工业化生产。

技术实现思路

1、为了促进膜分离技术在n2/sf6分离中的应用，本发明的目的在于一种电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用。该电合成zif-8膜用于回收废旧电器以及大气中的sf6，实现sf6的再利用并降低该气体对环境的负面影响。

2、本发明目的通过以下技术方案实现：

3、一种电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，包括以下步骤：

4、(1)将电合成zif-8膜放入气体分离装置中，然后在进料侧通入n2/sf6的混合气体；

5、(2)在吹扫侧通入吹扫气或者抽真空；

6、(3)将步骤(2)的吹扫侧气体通入气相色谱中进行检测，即可得到n2、sf6的通量以及选择性。

7、进一步地，测试过程中，所述的n2、sf6混合气体比例包括：1～9:9～1。

8、进一步地，所述混合气体流速为10～1000ml/min。

9、进一步地，所述吹扫气为氩气和氦气中的至少一种；所述吹扫气的流速为10～1000ml/min。

10、进一步地，所述气相色谱为安捷伦8890气相色谱。

11、进一步地，所述电合成zif-8膜的制备方法，包括以下步骤：

12、①将锌盐、二甲基咪唑和溶剂按照质量体积比为0.001～5g：0.001～5g：5～300ml超声溶解，得到混合溶液，静置一夜得到前驱体溶液；

13、②取前驱体溶液的上层澄清液至电膜池中，将aao基底插入溶液中做阴极，石磨棒做阳极，在电流驱动下，制备zif-8膜；

14、③制备好的zif-8膜干燥后，在烘箱中活化后，即可用于n2/sf6分离性能测试。

15、进一步地，步骤①中所述的锌盐为氯化锌、硝酸锌、乙酸锌中的至少一种，所述溶剂为水、乙醇、甲醇中的至少一种。

16、进一步地，步骤①中所述的超声时间为1～30min，超声功率为1200w。

17、进一步地，步骤②中所述的驱动电流为0.1～5ma/cm2。

18、进一步地，步骤②中所述的制膜时间为3～100min。

19、进一步地，步骤③中所述的干燥时间为1～30h，干燥温度为室温。

20、进一步地，步骤③中所述的活化温度为30～300℃，活化时间为1～100h。

21、由以上所述的方法制备的一种电合成zif-8膜，该zif-8膜制膜能耗低(常温合成)、耗时短(5-60min)，有望实现工业化生产。

22、本发明利用电合成zif-8膜，首次将zif-8膜用于n2/sf6分离，所制备的电合成zif-8膜具有优良的n2透量，高选择性，所制备出的电合成zif-8膜在n2/sf6分离过程中具有很大的应用价值。

23、众所周知，mof材料由于其大的比表面积和固有的孔道，常被用于气体分离。mof材料zif-8，它的理论孔径是0.34nm。由于晶格灵活性，配体能旋转改变孔径大小。研究表明，本发明在电场作用下合成zif-8膜，由于电场作用引起zif-8配体畸变，使得合成的zif-8膜有效孔径为0.41nm，本发明所述zif-8膜制备方法能在常温下短时间内(5-60min)合成致密无缺陷的膜。进一步地，由于n2的分子尺寸为0.364nm，sf6的分子尺寸为0.55nm，所以本发明所述电合成zif-8膜会对n2/sf6具有优异的分离性能。在此，我们结合电驱动合成法快速制备出无缺陷的zif-8膜，有望在短时间内快速合成高质量zif-8膜，在节省能耗和制膜时间的同时实现对n2/sf6的高性能分离。

24、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

25、(1)本发明所述电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，在分离n2/sf6时，具有高的n2通量和优异的n2/sf6选择性，在n2/sf6分离领域具有良好的应用前景。

26、(2)本发明所述电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，制备过程简单，能耗低(常温进行)，耗时短(0～60min)，在实际应用中能极大节约成本。

27、(3)本发明所述电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，可重复性好，适合大规模工业化生产。

技术特征：

1.一种电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，其特征在于，测试过程中，所述的n2、sf6混合气体比例包括：1～9:9～1。

3.根据权利要求1所述的电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，其特征在于，所述混合气体流速为10～1000ml/min。

4.根据权利要求1所述的电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，其特征在于，所述吹扫气为氩气和氦气中的至少一种；所述吹扫气的流速为10～1000ml/min。

5.根据权利要求1所述的电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，其特征在于，所述电合成zif-8膜的制备方法，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，其特征在于，步骤①中所述的锌盐为氯化锌、硝酸锌、乙酸锌中的至少一种，所述溶剂为水、乙醇、甲醇中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，其特征在于，步骤①中所述的超声时间为1～30min，超声功率为1200w。

8.根据权利要求5所述的电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，其特征在于，步骤②中所述的驱动电流为0.1～5ma/cm2。

9.根据权利要求5所述的电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，其特征在于，步骤②中所述的制膜时间为3～100min。

10.根据权利要求5所述的电合成zif-8膜在n2/sf6分离中的应用，其特征在于，步骤③中所述的活化温度为30～300℃，活化时间为1～100h。

技术总结
本发明公开了一种电合成ZIF‑8膜在N<subgt;2</subgt;/SF<subgt;6</subgt;分离中的应用。该应用包括以下步骤：(1)将电合成ZIF‑8膜放入气体分离装置中，然后在进料侧通入N<subgt;2</subgt;/SF<subgt;6</subgt;的混合气体；(2)在吹扫侧通入吹扫气；(3)将吹扫气通入气相色谱中进行检测。本发明的电合成ZIF‑8膜具有优良的N<subgt;2</subgt;通量和N<subgt;2</subgt;/SF<subgt;6</subgt;选择性。电合成ZIF‑8膜的制备方法简单易操作、能耗低(常温进行)、耗时短(0～60min)、高重复性、适合大规模工业生产，有利于电合成ZIF‑8膜在N<subgt;2</subgt;/SF<subgt;6</subgt;分离中的应用。

技术研发人员：魏嫣莹,曹昌蝶,夏启斌
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29