目前，日益严重的环境问题，已经引发了有关可持续能源战略的政治辩论和行动，包括使用生物能源来生产生物燃料，作为化石燃料的替代品。沼气是目前备受关注的生物能源之一，它不仅是替代天然气或液化石油的高价值可再生能源，而且还减少了固体废物的处理量。沼气是生物废物厌氧消化产生的混合气体，其组成在很大程度上取决于工艺类型和来源。在现有的各种气体分离技术中，膜分离技术尤其具有吸引力，因为它具有许多优点，如更低的能耗、更小的占地面积和更容易设计的模块。尽管有人提出了几种膜基工艺用于沼气的升级，但它们仍然没有达到其它传统技术的商业价值和效率，如水洗、变压吸附或胺化学吸附等。

金属有机框架(MOFs)具有**的CO₂吸附选择性，混合基质膜(MMMs)已被确定为促进膜分离技术发展的潜在解决方案。近日，葡萄牙新里斯本大学的Luísa A. Neves等人研究了MOF与混合基质膜的结合效果，与CH₄ (MOF-5)相比，使用混合的聚(离子液体)/离子液体(PIL/IL)对CO₂具有较高的吸附性能。共混体系由吡咯烷酮基的PIL,poly([Pyr₁₁][Tf₂N])和自由咪唑啉酮基的IL[C₂mim][BETI]组成，其化学结构式如图2所示。

图2. 在这项工作中用来制备PIL/IL和PIL/IL/MOF膜的PIL、IL和MOF的化学结构

（图片来源：Ind. Eng. Chem. Res.）

起初，研究人员将MOF-5在不同负载的离子液体(10、20、30 wt %)下掺入，通过溶剂蒸发法制备MMMs，并通过FTIR对其结构进行表征。制备的PIL/IL/MOF-5膜的化学结构通过FTIR光谱得到了确认，如图3所示，MOF-5的红外图谱与之前发表的文献相似。

接着，研究人员对制备的MMMs膜的表面性质进行表征，PIL/IL膜和分别占MOF-5 10%、20%、30% wt %的MMMs的SEM横截面图像如图4所示。在所有测试的MOF-5载荷下，MOF-5颗粒被成功地结合到PIL/IL复合基体中，此外，由于没有发现结块或明显的变形，MOF在PIL/IL基质中有致密的膜形态和均匀的弥散。值得注意的是，对于所有制备的膜，都有可能识别出一些随机分布的孔，这些孔可能与室温制备膜时溶剂蒸发速率有关，因为在聚合物沉淀过程中会有大量的丙酮蒸发流出。

此外，研究人员通过不同的技术(TGA、穿刺试验、单一气体输送)对其热稳定性、气体分离效率等进行表征。结果表明，游离IL与PIL混合后，MOF-5颗粒均匀分散在PIL/IL基体中，形成的PIL/IL/MOF-5膜具有适宜的热稳定性(T_onset 能达到656 K)，可用于沼气升级过程，但加入MOF-5后MMMs膜的机械稳定性下降，获得了更加坚硬且脆弱的膜。在MOF-5中加载30 wt %离子液体时，与原始PIL/IL膜相比，CO₂渗透率增加了133%，这主要是由于MOF的吸附能力以及其多孔结构所致。多孔结构的存在也可能是MMMs在高载荷下选择性降低88%的主要原因。虽然需要进一步的研究来实现具有更好性能的PIL/IL/MOF，但是这项工作的结果打开了在分子水平上理解每个成分作用的相关性，以便更好地为沼气升级设计调优MMMs。

原文链接：

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