Large-Area Ultrathin Mixed Matrix Membranes Incorporating Small Rigid MOFs for Gas Separation

气体分离 材料科学 基质(化学分析) 化学工程 纳米技术 化学 复合材料 工程类 生物化学
作者
Zhenjie Gu,Xu Zhang,Ran Liang,Fei Wang,Daqiang Wang,Aibing Chen,Zhihua Qiao
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (17): 11890-11900 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsapm.5c02357
摘要

The integration of metal–organic frameworks into polymer matrices within mixed-matrix membranes (MMMs) presents a promising strategy for fabricating high-performance gas separation membranes. However, nanoparticle aggregation during the scale-up process reduces membrane permselectivity, limiting practical applications. This study presents a facile, solvent-induced vacuum sintering strategy for synthesizing small rigid ZIF-8 (SRZ) enriched with Zn2+ active sites. SRZ exhibited superior hydrophilicity and membrane-forming capability, enabling its homogeneous dispersion within polyvinylamine (PVAm) for the fabrication of large-area PVAm/SRZ/modified poly(ether sulfone) (MPSf) MMMs. These MMMs were uniform, dense, and defect-free, with an effective membrane area of up to 3100 cm2 and ultrathin selective layers of approximately 200 nm. Benefiting from abundant Zn2+ active sites and a rigid framework structure, the developed MMMs demonstrated high CH4 permeance (1933 GPU) and excellent CH4/N2 selectivity (3.5). To further demonstrate their potential, two PVAm/SRZ/MPSf MMMs were employed to construct spiral-wound membrane modules with a packing area of 6200 cm2. The SRZ-based membrane modules exhibited satisfactory CH4 permeance (1261 GPU) while maintaining acceptable CH4/N2 selectivity (3.35). This study presents a feasible approach to facilitate industrial applications of gas separation membranes.
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