CN107344096A - 一种能分离和分析氢同位素的气相色谱填料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种能分离和分析氢同位素的气相色谱填料及其制备方法,属于功能材料技术领域。该材料是由γ‑Al2O3为载体,合成方法是:通过在γ‑Al2O3表面负载金属‑有机骨架化合物,经过洗涤、干燥,然后再浸渍于过渡金属盐MXn水溶液中,得到负载型复合材料。这种气相色谱固定相材料用于氢同位素H2/D2分离不但分离效果好、定量分析准确、可重复使用、价格低廉,而且因其良好的机械性能,回收、重复使用非常方便。
Description
技术领域
本发明属于功能材料技术领域,具体涉及一种对氢同位素H2/D2有良好分离/分析效能的负载型色谱填料及其制备方法。
背景技术
氘(D2)在热核聚变反应、中子散射技术以及同位素追踪等方面具有不可替代的应用,因此D2的获得具有重要意义。然而在自然界中D2的丰度很低,人们获得D2的主要手段是从H2/D2混合物中将D2分离出来。目前H2/D2分离的方法主要有低温蒸馏、化学交换以及热扩散等。但是这些方法存在的问题是耗能大、成本高,因此人们开发了新的分离方法:气相色谱法分离氢同位素。气相色谱法分离氢同位素的关键在于其固定相材料的选择。已报道的气相色谱法分离氢同位素的固定相材料主要有贵金属Pd/Pt、氧化铝、分子筛以及玻璃微球等,然而这些固定相材料对氢同位素分离都存在一些缺点,如氧化铝在分离H2/D2时,H2会发生正仲氢的裂分,出现p-H2(仲氢)和o-H2(正氢)两个峰,不利于氢同位素的准确定量;而对于分子筛填充柱,分离温度不易监控和控制,对分离系统的控制不利;玻璃微球填充的色谱柱,需要使用5m以上的长柱子才能达到较好的分离效果,不利于色谱柱的填充,需要大量的色谱填料,同时延长了H2/D2的分离时间,降低H2/D2的分离效率。因此,有必要开发一种分离温度易于控制,使用较短的色谱柱并可使用廉价的He作为载气的色谱柱填料来分离H2/D2。
研究发现,新型微孔材料金属-有机骨架化合物,在液氮温度下对H2/D2的量子筛分作用,使氢同位素H2/D2具有更好的分离选择性。已有文献报道金属-有机骨架化合物CPL-1在77K下一定压力范围内对H2/D2的分离选择性因子高 达3.0;而金属-有机骨架化合物MOF-74-Ni因结构中存在金属的不饱和配位点,在77K下对H2/D2的分离选择性因子更是高达5.0。上述研究结果表明这些金属-有机骨架化合物在液氮温度下对H2/D2的分离选择性远远大于传统吸附分离材料,如活性炭、分子筛等。因此金属-有机骨架化合物材料作为气相色谱填料用于分离氢同位素H2/D2具有潜在的性能。然而,金属-有机骨架化合物材料作为色谱固定相时存在机械强度差、颗粒尺寸大小难以控制等缺陷。固定相机械强度小会引起色谱柱的流失或造成色谱柱的堵塞,而固定相颗粒尺寸不均一将导致柱效降低从而影响分离效果。
发明内容
本发明的目的是为解决氢同位素分离存在的科学和技术问题,提供一种制备方法简单、成本低、稳定性高、机械性能好、可重复使用的基于金属-有机骨架化合物的负载型气相色谱填料及其制备方法,实现气相色谱条件下氢同位素的高效色谱分离和分析。
一种对氢同位素H2/D2具有良好分离/分析效能的负载型气相色谱填料,其特征在于,该气相色谱填料由金属-有机骨架化合物和氧化铝载体组成,以氧化铝为载体,在其表面负载金属-有机骨架化合物。
上述对氢同位素H2/D2具有良好分离/分析效能的负载型气相色谱填料的制备方法,以氧化铝为载体,通过在其表面负载金属-有机骨架化合物,然后再在金属盐MXn溶液中浸渍制得,包括以下几种制备方法:
方法一
(1)将预活化处理的γ-Al2O3加入到含过渡金属离子无机盐和有机配体的混合的去离子水溶液中,浸渍0.1~20h;其中γ-Al2O3:有机配体:过渡金属离子无机盐:溶液中去离子水的用量关系为0.1~20.0g:0.1~50mmol:0.1~50mmol: 5~100mL;
(2)将步骤(1)中的产物从浸渍液中取出并用去离子水冲洗,然后置于10~200℃烘箱中干燥0.1~20h;
(3)将步骤(1)-(2)作为一个循环过程,即将步骤(2)得到的产物替代步骤(1)中γ-Al2O3重复这个循环过程,循环1~30次;
(4)将步骤(3)所得产物加入到金属盐MXn的去离子水溶液中,浸渍0.1~20h;将溶剂蒸干,产物在20~200℃下干燥0.1~20h,得到负载型复合材料,其中步骤(3)所得产物:金属盐MXn:金属盐MXn水溶液中去离子水的用量关系为0.10-20.00g:0.1~10mmol:5~200mL;
或方法二
(1)将预活化处理的γ-Al2O3依次按如下顺序浸渍:a)0.1~100mM有机配体的乙醇溶液,1~500min,b)乙醇,1~100min,c)0.1~100mM过渡金属离子的乙醇溶液,1~500min,d)乙醇,1~100min;
(2)步骤(1)中a)至d)为一次循环,如此循环浸渍1~50次,得到负载型复合材料,然后在10~300℃下干燥0.1~20h;
(3)将步骤(3)所得产物加入到金属盐MXn的去离子水溶液中,浸渍0.1~20h;将溶剂蒸干,产物在20~200℃下干燥0.1~20h,得到负载型复合材料,其中步骤(3)所得产物:金属盐MXn:金属盐MXn水溶液中去离子水的用量关系为0.10-20.00g:0.1~10mmol:5~200mL;
或方法三
(1)将有机配体和过渡金属离子无机盐加入到DMF-乙醇-水混合溶剂中,超声至全部溶解得到溶液,其中有机配体、过渡金属离子无机盐、DMF-乙醇-水混合溶剂的用量关系为0.01~50mmol:0.01~50mmol:3~500mL,DMF-乙醇-水 混合溶剂中DMF、乙醇、水的体积比为1:1:1;
(2)将步骤(1)中的溶液转移到含聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,同时加入预活化处理的γ-Al2O3,以0.1~50℃·min-1升到50~200℃后保持0.1~100h,自然冷却至室温,其中有机配体与γ-Al2O3的用量关系为0.01~50mmol:0.1~20g;
(3)用倾析法将步骤(2)中所得产物与母液分离,以甲醇溶剂多次浸渍样品进行溶剂交换,以交换出产物中吸附的DMF,最后在20~200℃干燥箱中干燥0.1~50h去除甲醇,得到复合材料;
(4)将步骤(3)所得产物加入到金属盐MXn的去离子水溶液中,浸渍0.1~20h;将溶剂蒸干,产物在20~200℃下干燥0.1~20h,得到负载型复合材料,其中步骤(3)所得产物:金属盐MXn:金属盐MXn水溶液中去离子水的用量关系为0.10-20.00g:0.1~10mmol:5~200mL;
上述三种方法中所述的有机配体、过渡金属离子无机盐的金属离子为制备金属-有机骨架化合物的有机配体和金属离子。
进一步优选:
所述的γ-Al2O3载体表面富含的羟基具有活泼的化学反应活性,可与带有羧基基团的用于合成金属-有机骨架化合物的有机配体反应,同时实现金属-有机骨架化合物在氧化铝表面的负载。
所用的γ-Al2O3载体的粒径为0.05~5mm。
有机配体为以下物质中的一种或几种:对苯二甲酸、均苯三甲酸、2,5-二羟基对苯二甲酸、吡嗪-2,3-二羧酸、吡嗪、1,4-萘二甲酸、联苯二甲酸、4,4’,4”-三甲酸-三苯胺以及上述物质的衍生物。
金属离子无机盐的金属离子为Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cr3+、Mn2+、Cu2+、Zn2+中的一种或几种,过渡金属离子无机盐的盐为硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐、盐 酸盐中的一种或几种。
金属无机盐MXn的金属选自Na+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cr3+、Mn2+、Cu2+中的一种或几种,金属无机盐MXn的盐选自硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐、盐酸盐、铬酸盐中的一种或几种。
氧化铝作为载体具有以下优点:1)较高的机械强度、均一的颗粒尺寸和出色的化学稳定性;2)具有丰富的介孔孔道,负载材料可以在孔道中均匀负载;3)γ-Al2O3本身在液氮温度下对H2/D2具有一定的分离选择性。
因此如果将具有氢同位素H2/D2分离/分析潜能的金属-有机骨架化合物负载到颗粒尺寸大小均一的γ-Al2O3上,不但能发挥金属-有机骨架化合物和γ-Al2O3各自的优势,而且还能发挥因二者结合而产生的协同作用,从而有效解决目前上述H2/D2分离/分析存在的问题,同时还能大大减小金属-有机骨架化合物材料的用量以达到降低成本的目的。
本发明所提供的复合材料对氢同位素H2/D2具有分离时间短、分离效果好,定量分析准确,经过简单的活化即可再次循环使用的特点,可用作氢同位素H2/D2分离/分析的高效色谱填料。
附图说明
图1实施例1中a)γ-Al2O3,b)浸泡Mn2+前的复合材料和c)浸泡Mn2+后的复合材料的红外谱图。
图2实施例1中浸泡Mn2+后的复合材料作为色谱固定相,在TCD温度100℃、桥流160mA、液氮温度77K、进样量50μL、载气流速30mL/min的条件下,对H2、D2和H2/D2混合物进行分离的气相色谱图。
图3实施例1中浸泡Mn2+后的复合材料作为色谱固定相,在TCD温度 100℃、桥流160mA、液氮温度77K、进样量50μL、不同载气流速的条件下,对H2/D2混合物进行分离的气相色谱图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。下述实施例中所使用的化学药品均为市售商品。载体γ-Al2O3使用前在200℃马弗炉中焙烧2h进行预活化。表1不同复合材料作为色谱固定相在相同条件下对氢同位素H2/D2分离的数据。
实施例1
(1)将3.0g粒径80-100目的γ-Al2O3加入到由0.5mmol六水合高氯酸铜,0.5mmol吡嗪-2,3-二酸钠,0.625mmol吡嗪和20mL去离子水组成的溶液中,浸渍2h;
(2)将步骤(1)中的产物从浸渍液中取出并用去离子水冲洗,然后置于110℃烘箱中干燥30min;
(3)将步骤(1)-(2)作为一个循环过程,将步骤(2)得到的产物替代步骤(1)中γ-Al2O3重复这个循环过程,循环7次。
(4)将3.00g步骤(3)所得产物加入到由3.58mmol四水合氯化锰和20mL去离子水组成的MnCl2溶液中,浸渍2h;将其一起转移到100mL圆底烧瓶中,用旋转蒸发仪将溶剂蒸干,产物在100℃下干燥10h,得到负载型复合材料。
实施例2
(1)将3.00g预活化处理的γ-Al2O3依次按如下顺序浸渍:a)100mL 10mM均苯三甲酸的乙醇溶液,40min,b)20mL乙醇,5min,c)100mL 10mM三水 合醋酸铜的乙醇溶液,20min,d)20mL乙醇,5min
(2)步骤(1)中a)至d)为一次循环,如此循环浸渍4次,得到负载型复合材料,然后在100℃下干燥30min。
(3)将3.00g步骤(2)中的样品加入到由3.58mmol四水合氯化锰和20mL去离子水组成的MnCl2溶液中,浸渍2h;将其一起转移到100mL圆底烧瓶中,用旋转蒸发仪将溶剂蒸干,产物在100℃下干燥10h,得到负载型复合材料。
实施例3
(1)将0.182mmol 2,5-二羟基对苯二甲酸和0.613mmol六水合硝酸镍加入到15mL(体积比为1:1:1)的DMF-乙醇-水混合溶剂中,超声至全部溶解;
(2)将步骤(1)中的溶液转移到23mL含聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,同时加入0.60g 80-100目的γ-Al2O3,以1.5℃·min-1升到100℃后保持24h,自然冷却至室温;
(3)用倾析法将步骤(2)中所得产物与母液分离,以15mL甲醇溶剂浸渍样品进行溶剂交换,48h内进行4次溶剂交换,以交换出复合材料中吸附的DMF,最后在100℃干燥箱中干燥5h去除甲醇,得到产物。
(4)将3.00g步骤(3)中的产物加入到由3.58mmol四水合氯化锰和20mL去离子水组成的MnCl2溶液中,浸渍2h;将其一起转移到100mL圆底烧瓶中,用旋转蒸发仪将溶剂蒸干,产物在100℃下干燥10h,得到负载型复合材料。
实施例4
(1)将3.00g预活化处理的γ-Al2O3依次按如下顺序浸渍:a)100mL 10mM 2,5-二羟基对苯二甲酸的四氢呋喃溶液,40min,b)20mL四氢呋喃,5min,c)100mL 10mM四水合醋酸镍的四氢呋喃溶液,20min,d)20mL四氢呋喃和水(体积比为1:1),5min
(2)步骤(1)中a)至d)为一次循环,如此循环浸渍4次,然后在100℃下干燥30min,得到产物。
(3)将3.00g步骤(2)中的产物加入到由3.58mmol四水合氯化锰和20mL去离子水组成的MnCl2溶液中,浸渍2h;将其一起转移到100mL圆底烧瓶中,用旋转蒸发仪将溶剂蒸干,产物在100℃下干燥10h,得到负载型复合材料。
测试了实施例1中a)γ-Al2O3,浸泡Mn2+前的复合材料和c)浸泡Mn2+后的复合材料的红外谱图(图1);和浸泡Mn2+后的复合材料作为色谱固定相对氢同位素H2/D2分离的气相色谱图(图2,图3)。
复合材料对氢同位素H2/D2的分离测试,采用SP-6890型气相色谱仪,以GDX-102不锈钢色谱柱为参比柱,长度为1.0m内径为2.0mm的不锈钢柱作为色谱柱。在He为载气,TCD为检测器,液氮温度(77K)下对氢同位素进行气相色谱分离,样品气为H2-D2-He的混合气体。
在检测器温度及桥流分别为100℃和160mA,进样量为50μL,液氮温度77K,载气流速30mL/min的条件下,以实施例1中过渡金属盐改性复合材料为色谱固定相材料对H2、D2和H2/D2混合样进行分离,计算得到固定相对H2/D2分离的分离度为1.61,且分离时间为6.5min,表现出了比γ-Al2O3更优异的氢同位素分离性能(图1,表1)。
在其它色谱条件不变的情况下,改变载气流速,以实施例1中的过渡金属盐改性的复合材料为色谱固定相对H2/D2混合样进行分离研究。在载气流速分别为90、60、30和20mL/min时,计算得到H2和D2的分离度分别为1.08、1.26、1.61和1.65(图3)。综合考虑分离度和分离时间,30mL/min为最佳载气流速。
将该复合材料在最佳实验条件(进样量50μL、液氮温度77K、载气流速为30mL/min)下,考察该色谱填料分离氢同位素H2/D2的准确性和重复性,在相 同的色谱条下,重复进9次H2-D2-He混合气体。记录气相色谱工作站中保留时间、峰面积等参数,H2和D2在9次重复进样后保留时间的RSD分别为0.82和0.73,均小于1%,并且峰面积的RSD为2.71和2.32,不大于5%,因此,准确性和重现性良好,测得的三元组分H2-D2-He中各组分的含量分别为19.2%、23.0%和57.8%,H2和D2含量的RSD分别为在2.13%和0.96%。与真实值相比,相对误差不大于0.05,结果表明该复合材料作为色谱固定相对H2-D2-He混合气体组分的定量准确。
表1不同复合材料作为色谱固定相在相同条件下对氢同位素H2/D2分离的数据
a o-H2的保留时间;b D2与o-H2之间的分离度;c载气流速150mL/min;d载气流速30mL/min。
Claims (6)
1.一种能分离和分析氢同位素的气相色谱填料,其特征在于,基于金属-有机骨架化合物的分离和分析氢同位素H2/D2的气相色谱填料,该气相色谱填料由金属-有机骨架化合物和氧化铝载体组成,以氧化铝为载体,在其表面负载金属-有机骨架化合物。
2.根据权利要求1所述一种能分离和分析氢同位素的气相色谱填料的制备方法,其特征在于,以氧化铝为载体,通过在其表面负载金属-有机骨架化合物,然后再在金属盐MXn溶液中浸渍制得,包括以下几种制备方法:
方法一
(1)将预活化处理的γ-Al2O3加入到含过渡金属离子无机盐和有机配体的混合的去离子水溶液中,浸渍0.1~20h;其中γ-Al2O3:有机配体:过渡金属离子无机盐:溶液中去离子水的用量关系为0.1~20.0g:0.1~50mmol:0.1~50mmol:5~100mL;
(2)将步骤(1)中的产物从浸渍液中取出并用去离子水冲洗,然后置于10~200℃烘箱中干燥0.1~20h;
(3)将步骤(1)-(2)作为一个循环过程,即将步骤(2)得到的产物替代步骤(1)中γ-Al2O3重复这个循环过程,循环1~30次;
(4)将步骤(3)所得产物加入到金属盐MXn的去离子水溶液中,浸渍0.1~20h;将溶剂蒸干,产物在20~200℃下干燥0.1~20h,得到负载型复合材料,其中步骤(3)所得产物:金属盐MXn:金属盐MXn水溶液中去离子水的用量关系为0.10-20.00g:0.1~10mmol:5~200mL;
或方法二
(1)将预活化处理的γ-Al2O3依次按如下顺序浸渍:a)0.1~100mM有机配体的乙醇溶液,1~500min,b)乙醇,1~100min,c)0.1~100mM过渡金属离子的乙 醇溶液,1~500min,d)乙醇,1~100min;
(2)步骤(1)中a)至d)为一次循环,如此循环浸渍1~50次,得到负载型复合材料,然后在10~300℃下干燥0.1~20h;
(3)将步骤(3)所得产物加入到金属盐MXn的去离子水溶液中,浸渍0.1~20h;将溶剂蒸干,产物在20~200℃下干燥0.1~20h,得到负载型复合材料,其中步骤(3)所得产物:金属盐MXn:金属盐MXn水溶液中去离子水的用量关系为0.10-20.00g:0.1~10mmol:5~200mL;
或方法三
(1)将有机配体和过渡金属离子无机盐加入到DMF-乙醇-水混合溶剂中,超声至全部溶解得到溶液,其中有机配体、过渡金属离子无机盐、DMF-乙醇-水混合溶剂的用量关系为0.01~50mmol:0.01~50mmol:3~500mL,DMF-乙醇-水混合溶剂中DMF、乙醇、水的体积比为1:1:1;
(2)将步骤(1)中的溶液转移到含聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,同时加入预活化处理的γ-Al2O3,以0.1~50℃·min-1升到50~200℃后保持0.1~100h,自然冷却至室温,其中有机配体与γ-Al2O3的用量关系为0.01~50mmol:0.1~20g;
(3)用倾析法将步骤(2)中所得产物与母液分离,以甲醇溶剂多次浸渍样品进行溶剂交换,以交换出产物中吸附的DMF,最后在20~200℃干燥箱中干燥0.1~50h去除甲醇,得到复合材料;
(4)将步骤(3)所得产物加入到金属盐MXn的去离子水溶液中,浸渍0.1~20h;将溶剂蒸干,产物在20~200℃下干燥0.1~20h,得到负载型复合材料,其中步骤(3)所得产物:金属盐MXn:金属盐MXn水溶液中去离子水的用量关系为0.10-20.00g:0.1~10mmol:5~200mL;
上述三种方法中所述的有机配体、过渡金属离子无机盐的金属离子为制备 金属-有机骨架化合物的有机配体和金属离子。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所用的γ-Al2O3载体的粒径为0.05~5mm。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,有机配体为以下物质中的一种或几种:对苯二甲酸、均苯三甲酸、2,5-二羟基对苯二甲酸、吡嗪-2,3-二羧酸、吡嗪、1,4-萘二甲酸、联苯二甲酸、4,4’,4”-三甲酸-三苯胺以及上述物质的衍生物。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,过渡金属离子无机盐的金属离子为Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cr3+、Mn2+、Cu2+、Zn2+中的一种或几种,过渡金属离子无机盐的盐为硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐、盐酸盐中的一种或几种。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,金属无机盐MXn的过渡金属选自Na+、Fe2+、Fe3+、Co2+、Ni2+、Cr3+、Mn2+、Cu2+中的一种或几种,金属无机盐MXn的盐选自硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐、盐酸盐、铬酸盐中的一种或几种。
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