目前，日益嚴重的環境問題，已經引發了有關可持續能源戰略的政治辯論和行動，包括使用生物能源來生產生物燃料，作為化石燃料的替代品。沼氣是目前備受關注的生物能源之一，它不僅是替代天然氣或液化石油的高價值可再生能源，而且還減少了固體廢物的處理量。沼氣是生物廢物厭氧消化產生的混合氣體，其組成在很大程度上取決于工藝類型和來源。在現有的各種氣體分離技術中，膜分離技術尤其具有吸引力，因為它具有許多優點，如更低的能耗、更小的占地面積和更容易設計的模塊。盡管有人提出了幾種膜基工藝用于沼氣的升級，但它們仍然沒有達到其它傳統技術的商業價值和效率，如水洗、變壓吸附或胺化學吸附等。

金屬有機框架(MOFs)具有**的CO₂吸附選擇性，混合基質膜(MMMs)已被確定為促進膜分離技術發展的潛在解決方案。近日，葡萄牙新里斯本大學的Luísa A. Neves等人研究了MOF與混合基質膜的結合效果，與CH₄ (MOF-5)相比，使用混合的聚(離子液體)/離子液體(PIL/IL)對CO₂具有較高的吸附性能。共混體系由吡咯烷酮基的PIL,poly([Pyr₁₁][Tf₂N])和自由咪唑啉酮基的IL[C₂mim][BETI]組成，其化學結構式如圖2所示。

圖2. 在這項工作中用來制備PIL/IL和PIL/IL/MOF膜的PIL、IL和MOF的化學結構

（圖片來源：Ind. Eng. Chem. Res.）

起初，研究人員將MOF-5在不同負載的離子液體(10、20、30 wt %)下摻入，通過溶劑蒸發法制備MMMs，并通過FTIR對其結構進行表征。制備的PIL/IL/MOF-5膜的化學結構通過FTIR光譜得到了確認，如圖3所示，MOF-5的紅外圖譜與之前發表的文獻相似。

接著，研究人員對制備的MMMs膜的表面性質進行表征，PIL/IL膜和分別占MOF-5 10%、20%、30% wt %的MMMs的SEM橫截面圖像如圖4所示。在所有測試的MOF-5載荷下，MOF-5顆粒被成功地結合到PIL/IL復合基體中，此外，由于沒有發現結塊或明顯的變形，MOF在PIL/IL基質中有致密的膜形態和均勻的彌散。值得注意的是，對于所有制備的膜，都有可能識別出一些隨機分布的孔，這些孔可能與室溫制備膜時溶劑蒸發速率有關，因為在聚合物沉淀過程中會有大量的丙酮蒸發流出。

此外，研究人員通過不同的技術(TGA、穿刺試驗、單一氣體輸送)對其熱穩定性、氣體分離效率等進行表征。結果表明，游離IL與PIL混合后，MOF-5顆粒均勻分散在PIL/IL基體中，形成的PIL/IL/MOF-5膜具有適宜的熱穩定性(T_onset 能達到656 K)，可用于沼氣升級過程，但加入MOF-5后MMMs膜的機械穩定性下降，獲得了更加堅硬且脆弱的膜。在MOF-5中加載30 wt %離子液體時，與原始PIL/IL膜相比，CO₂滲透率增加了133%，這主要是由于MOF的吸附能力以及其多孔結構所致。多孔結構的存在也可能是MMMs在高載荷下選擇性降低88%的主要原因。雖然需要進一步的研究來實現具有更好性能的PIL/IL/MOF，但是這項工作的結果打開了在分子水平上理解每個成分作用的相關性，以便更好地為沼氣升級設計調優MMMs。

原文鏈接：

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