CN104492398A - 一种用于工业废气净化处理的疏水蜂窝金属有机骨架及制备方法 - Google Patents

一种用于工业废气净化处理的疏水蜂窝金属有机骨架及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于工业废气净化处理的疏水蜂窝金属有机骨架及其制备方法。该方法包括将金属有机骨架及辅助原料混合、挤出成型、干燥等工序，其优点在于添加了表面改性剂，在保证一定机械强度和比表面积的前提下，可以获得疏水的蜂窝状金属有机骨架。本方法生产的疏水蜂窝状金属有机骨架具有耐热、耐水性好，吸附性能优异等优点，特别适用于高湿度有机废气的净化处理。

Description

一种用于工业废气净化处理的疏水蜂窝金属有机骨架及制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于工业废气净化处理的疏水蜂窝状金属有机骨架吸附材料及其制备方法。
背景技术
目前，工业废气吸附净化处理主要采用蜂窝状活性炭作为吸附剂，这种蜂窝状活性炭具有比表面积高、耐酸碱、孔隙结构可控、失效后可再生等特点以及蜂窝结构开孔率高、几何表面积大、耐磨损、抗粉尘污染能力强、压力损失小等优点，因而广泛的用于气体净化、溶剂回收。
由于工业有机废气都含有不同程度的湿度，大大影响了蜂窝活性炭的吸附性能，因此需要对蜂窝活性炭做疏水处理。目前在制备疏水蜂窝活性炭的过程中常需要添加酚醛树脂及有机增塑剂，或者添加使用酚醛树脂、碳化硅、碳化钛，这些添加物一方面比较昂贵，提高了产品的成本，一方面添加物的使用降低了蜂窝活性炭的比表面积，从而大大降低了蜂窝活性炭的吸附能力。
金属有机骨架是一种新型多孔材料，具有纳米级的骨架可调型规整的孔道结构，大的比表面积(高达5900m2/g)和高的孔隙率，以及超低的固体密度，在气体吸附分离、贮存等方面具有优异的性能。
发明内容
本发明目的是提供一种用于工业废气净化处理过程中使用的疏水蜂窝状金属有机骨架吸附材料及其制备方法。
为实现上述发明目的采用的技术方案是：
一种用于工业废气净化处理的疏水蜂窝状金属有机骨架，其整体轮廓为规则几何形状的立方体，蜂窝孔道为正方形，孔密度为8～32孔/cm2，比表面积为1570～3760m2/g，正压机械强度为2.8～7.4MPa，侧压强度为1.1～3.7MPa，与水的接触角大于120度。
上述疏水蜂窝状金属有机骨架，其整体轮廓为柱状体或正立方体。
一种用于工业废气净化处理疏水蜂窝状金属有机骨架，其制备方法包括以下步骤：
(1)以粉末状金属有机骨架为主要原料，并添加辅助原料有机粘结剂和水，上述主要原料与各辅助原料之间质量配比为100：1.5～5：5～10，混合均匀，制成塑性泥料；
(2)将塑性泥料装入真空挤出机挤压成型，得到蜂窝坯体；
(3)将蜂窝坯体干燥，得到疏水蜂窝状金属有机骨架。
上述步骤(1)中，辅助原料还包括表面改性剂乳液，其与金属有机骨架、有机粘结剂及水的质量配比为30～50：100：1.5～5：5～10。
上述步骤(1)中，还包括金属有机骨架预处理，即将金属有机骨架研磨至粒度小于74微米，呈粉末状。
上述步骤(1)中，将主要原料与辅助原料在捏合机中搅拌均匀。
上述步骤(2)中，将塑性泥料装入真空挤出机的料筒内，启动真空挤出机的抽真空系统，使料筒内泥料的真空度达到0.08～0.09MPa，在此真空度下保持10分钟，然后挤出成型。
上述步骤(3)中，将蜂窝坯体在100～200℃下干燥3～12小时。
上述步骤(3)中，将一次干燥处理后的蜂窝坯体在100～200℃下进行第二次干燥处理，再干燥3～12小时。
上述金属有机骨架为MIL-101，其中心金属离子为Zn2+，Fe3+，Fe2+，Cu2+，Mg2+，Mn2+，Co2+，Ni2+，Ti4+中的一种或任意比例的混合。
上述有机粘合剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素或聚乙烯醇。
上述表面改性剂乳液为聚四氟乙烯乳液、有机硅改性丙烯酸乳液或聚氨酯乳液。
本发明的有益效果：
本发明的疏水蜂窝状金属有机骨架，具有较大的比表面积，较高的抗压强度以及较好的疏水性，净化处理工业废气，特别是含湿有机废气时，具有很好的吸附性能，并且吸附性能不受废气湿度的影响。本发明的一种用于工业废气净化处理的疏水蜂窝状金属有机骨架的制备方法，其显著特征在于在成型泥料中添加了表面改性剂，在保证一定机械强度和比表面积的前提下，可以获得疏水的蜂窝状金属有机骨架。而且由于表面改性剂的引入，增加了泥料的润滑性，不必再添加任何润滑助剂，制备程序简单，原料便宜，生产成本低廉；本方法生产的疏水蜂窝状金属有机骨架材料，具有耐热、耐水性好，易再生，特别适用于净化处理高湿度有机废气。
具体实施方式
下面以各制备原料不同的配比关系，对本发明进行进一步说明。
实施实例1
一种用于工业废气处理的疏水蜂窝状金属有机骨架的制备方法，包括以下步骤：
(1)将MIL-101(Co)、甲基纤维素粉、固含量为20％的聚四氟乙烯乳液、水按质量比100:5:30:10在捏合机中搅拌均匀，制成塑性泥料。
(2)将塑性泥料装入真空挤出机的料筒内，启动真空挤出机的抽真空系统，使料筒内泥料的真空度达到0.08MPa，在此真空度下保持10分钟，然后在20MPa压力下挤出成型，根据需要制得正方形蜂窝坯体，正方形蜂窝坯体的边长和高分别为65和100厘米，蜂窝坯体孔密度为8孔/cm2。
(3)将蜂窝坯体在100℃下干燥4水时，在180℃下干燥6小时得到疏水的蜂窝状金属有机骨架MIL-101(Co)(A-1)。
性能测试：疏水蜂窝金属有机骨架的比表面积由低温氮吸附法测定；蜂窝状MIL-101(Co)的抗压强度在通用压力机上测定；采用动态吸附-脱附法测定蜂窝状MIL-101(Co)对正丁烷的吸附和脱附量，测试时将蜂窝状MIL-101(Co)(A-1)置于测试管内，吸附时，通入气体流量为400ml/min、400ppm正丁烷和10％水汽的混合气，其中氮气为平衡气体，每隔5分钟用VOC测定仪测定出气口正丁烷浓度。当正丁烷浓度接近入口浓度的80％时，停止吸附试验，然后进口气体切换为同体积流量、纯度为99.95％的氮气进行脱附试验，每隔5分钟用VOC测定仪测定出气口正丁烷浓度，当出口正丁烷浓度为5ppm时，停止脱附试验。将吸附、脱附过程中正丁烷浓度与时间作图，并积分曲线面积，换算为单位质量疏水蜂窝MIL-101(Co)吸附和脱附的正丁烷量。具体性能指标见表1。
实施实例2
一种用于工业废气处理的疏水蜂窝状金属有机骨架的制备方法，包括以下步骤：
(1)将MIL-101(Mn)粉末、聚乙烯醇粉、固含量为20％的聚四氟乙烯乳液、水按质量比100:3:40:5在捏合机中搅拌均匀，制成塑性泥料。
(2)将塑性泥料装入真空挤出机的料筒内，启动真空挤出机的抽真空系统，使料筒内泥料的真空度达到0.08MPa，在此真空度下保持10分钟，然后在20MPa压力下挤出成型，根据需要制得正方形蜂窝坯体，正方形蜂窝坯体的边长和高分别为100和100厘米，蜂窝坯体孔密度为16孔/cm2。
(3)将蜂窝坯体在150℃下干燥3小时，在160℃下干燥10小时得到疏水蜂窝状MIL-101(Mn)(A-2)。
性能测试：同实施实例1，具体性能指标见表1。
实施实例3
一种用于工业废气处理的疏水蜂窝状金属有机骨架的制备方法，包括以下步骤：
(1)将MIL-101(Mn)粉末、羧甲基纤维素粉、固含量为18％的有机硅改性丙烯酸乳液、水按质量比100:5:40:5在捏合机中搅拌均匀，制成塑性泥料。
(2)将塑性泥料装入真空挤出机的料筒内，启动真空挤出机的抽真空系统，使料筒内泥料的真空度达到0.085MPa，在此真空度下保持10分钟，然后在18MPa压力下挤出成型，根据需要制得圆柱形蜂窝坯体，圆柱形蜂窝坯体的直径和高分别为50cm和100cm，蜂窝坯体孔密度为32孔/cm2。
(3)将蜂窝坯体在100℃下干燥4小时，在180℃下干燥8小时，得到疏水蜂窝MIL-101(Mn)(A-3)。
性能测试：同实施实例1，具体性能指标见表1。
实施实例4
一种用于工业废气处理的疏水蜂窝状金属有机骨架的制备方法，包括以下步骤：
(1)将MIL-101(Cu)、聚乙烯醇粉、固含量为19％的有机硅改性丙烯酸乳液、水按质量比100:4:50:5在捏合机中搅拌均匀，制成塑性泥料。
(2)将塑性泥料装入真空挤出机的料筒内，启动真空挤出机的抽真空系统，使料筒内泥料的真空度达到0.088MPa，在此真空度下保持10分钟，然后在20MPa压力下挤出成型，根据需要制得正方形蜂窝坯体，正方形坯体的边长和高分别为100cm和100cm，蜂窝坯体孔密度为16孔/cm2。
(3)将蜂窝坯体在180℃下干燥5小时，在200℃下干燥12小时得到疏水的蜂窝状MIL-101(Cu)(A-4)。
性能测试：同实施实例1，具体性能指标见表1。
实施实例5
一种用于工业废气处理的疏水蜂窝状金属有机骨架的制备方法，包括以下步骤：
(1)将MIL-101(Ni)粉末、羧甲基纤维素粉、固含量为20％的聚氨酯乳液、水按质量比100:1.5:50:10在捏合机中搅拌均匀，制成塑性泥料。
(2)将塑性泥料装入真空挤出机的料筒内，启动真空挤出机的抽真空系统，使料筒内泥料的真空度达到0.09MPa，在此真空度下保持10分钟，然后在20MPa压力下挤出成型，根据需要制得正方形蜂窝坯体，正方形坯体的边长和高分别为100cm和100cm，蜂窝坯体孔密度为16孔/cm2。
(3)将蜂窝坯体在200℃下干燥12小时，在100℃下干燥3小时，得到疏水的蜂窝状MIL-101(Ni)(A-5)。
性能测试：同实施实例1，具体性能指标见表1。
实施实例6
一种用于工业废气处理的疏水蜂窝状金属有机骨架的制备方法，包括以下步骤：
(1)将MIL-101(Ni)粉末、甲基纤维素粉、固含量为19％的聚四氟乙烯乳液、水按质量比100:2:35:6在捏合机中搅拌均匀，制成塑性泥料。
(2)将塑性泥料装入真空挤出机的料筒内，启动真空挤出机的抽真空系统，使料筒内泥料的真空度达到0.08MPa，在此真空度下保持10分钟，然后在20MPa压力下挤出成型，根据需要制得圆柱形蜂窝坯体，圆柱形蜂窝坯体的直径和高分别为60cm和80cm，蜂窝坯体孔密度为16孔/cm2。
(3)将蜂窝坯体在130℃下干燥3小时，在150℃下干燥10小时得到疏水蜂窝状MIL-101(Ni)(A-6)。
性能测试：同实施实例1，具体性能指标见表1。
实施实例7
一种用于工业废气处理的疏水蜂窝状金属有机骨架的制备方法，包括以下步骤：
(1)将MIL-101(Mn,Cu)粉末、甲基纤维素粉、固含量为19％的有机硅改性丙烯酸乳液、水按质量比100:3.5:35:7在捏合机中搅拌均匀，制成塑性泥料。
(2)真空挤出成型：将塑性泥料装入真空挤出机的料筒内，启动真空挤出机的抽真空系统，使料筒内泥料的真空度达到0.088MPa，在此真空度下保持10分钟，煞后在20MPa压力下挤出成型，根据需要制得正方形蜂窝坯体，正方形蜂窝坯体的边长和高分别为80cm和100cm，蜂窝坯体孔密度为32孔/cm2。
(3)将蜂窝坯体在170℃下干燥6小时，在120℃下干燥8小时得到疏水蜂窝状MIL-101(Mn,Cu)(A-7)。
性能测试：同实施实例1。具体性能指标见表l。
实施实例8
一种用于工业废气处理的疏水蜂窝状金属有机骨架的制备方法，包括以下步骤：
(1)将MIL-101(Fe，Co)粉末、羧甲基纤维素粉、固含量为20％的聚氨酯乳液、水按质量比100:4.5:45:9在捏合机中搅拌均匀，制成塑性泥料。
(2)将塑性泥料装入真空挤出机的料筒内，启动真空挤出机的抽真空系统，使料筒内泥料的真空度达到0.09MPa，在此真空度下保持10分钟，然后在20MPa压力下挤出成型，根据需要制得圆柱形蜂窝坯体，圆柱形蜂窝坯体的直径和高分别为70和100厘米，蜂窝坯体孔密度为16孔/cm2。
(3)将蜂窝坯体在110℃下干燥8小时，在190℃下干燥12小时得到疏水蜂窝状MIL-101(Fe，Co)(A-8)。
性能测试：同实施实例l，具体性能指标见表1。
表1疏水蜂窝状金属有机骨架性能
可见本方法具有制造工艺简单，使用原料成本低廉，生产出的疏水蜂窝金属有机骨架抗压力及吸附能力强、易再生的优点。

Claims (9)

1.一种用于工业废气处理的疏水蜂窝金属有机骨架，其特征在于：疏水蜂窝金属有机骨架的整体轮廓为柱状体或正立方体，蜂窝孔道为正方形，孔密度为8～32孔/cm2，比表面积为1570～3760m2/g，正压机械强度为2.8～7.4MPa，侧压强度为1.1～3.7MPa，与水的接触角大于120°。
2.一种用于工业废气处理的疏水蜂窝金属有机骨架的制备方法，包括以下步骤：
(1)以粉末状金属有机骨架为主要原料，并添加辅助原料有机粘合剂和水，上述主要原料与各辅助原料之间质量配比为100:1.5～5：5～10，混合均匀，制成可塑性泥料；
(2)将塑性泥料装入真空挤出机挤压成型，得到蜂窝坯体；
(3)将蜂窝坯体干燥，得到疏水蜂窝金属有机骨架。
3.根据权利要求2所述一种用于工业废气处理的疏水蜂窝金属有机骨架的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中，辅助原料还包括表面改性剂乳液，其与主要原料及其它辅助原料有机粘结剂、水的质量配比为30～50：100:1.5～5：5～10。
4.根据权利要求2或3所述一种用于工业废气处理的疏水蜂窝金属有机骨架的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中，将主要原料与辅助原料在捏合机中搅拌均匀。
5.根据权利要求2或3所述一种用于工业废气处理的疏水蜂窝金属有机骨架的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中，将塑性泥料装入真空挤出机的料筒内，启动真空挤出机的抽真空系统，使料筒内泥料的真空度达到0.08～0.09MPa，在此真空度下保持10分钟，然后挤出成型。
6.根据权利要求2或3所述一种用于工业废气处理的疏水蜂窝金属有机骨架的制备方法，其特征在于所述步骤(3)中，将蜂窝坯体在100～200℃下干燥3～12小时，然后在100～200℃下进行第二次干燥处理，再干燥3～12小时。
7.根据权利要求3所述一种用于工业废气处理的疏水蜂窝金属有机骨架的制备方法，其特征在于所述金属有机骨架为MIL-101，其中心金属离子为Zn2+，Fe3+，Fe2+，Cu2+，Mg2+，Mn2+，Co2+，Ni2+，Ti4+中的一种或任意比例的混合。
8.根据权利要求3所述一种用于工业废气处理的疏水蜂窝金属有机骨架的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中，有机粘合剂为甲基纤维素、羧甲基纤维素或聚乙烯醇。
9.根据权利要求3或4所述一种用于工业废气处理的疏水蜂窝金属有机骨架的制备方法，其特征在于所述表面改性剂乳液为聚四氟乙烯乳液、有机硅改性丙烯酸乳液或聚氨酯乳液。
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