新型MOFs@γ-Al2O3色谱固定相材料的制备及其对H2/D2的分离性能研究

摘要

气相色谱法分离氢同位素H2/D2目前仍存在使用长色谱柱、分离时间长、分离度低等缺陷，因此有必要对H2/D2色谱分离进行继续研究。气相色谱法的关键在于色谱固定相的选择。而金属-有机骨架化合物(MOFs)因其在液氮温度下对H2/D2具有较高的分离选择性，因此我们通过化学方法将MOFs化合物负载到传统的氧化铝载体上，制备了新型MOFs@γ-Al2O3复合物，并将其用作气相色谱固定相材料对氢同位素H2/D2的分离性能进行了研究。本论文的主要研究成果如下:
　　(1)分别采用原位生长法、层接层法和原位水热生长法成功将MOFs化合物CPL-1、HKUST-1和CPO-27-Co负载到γ-Al2O3颗粒上，形成复合物CPL-1@γ-Al2O3、 HKUST-1@γ-Al2O3和CPO-27-Co@γ-Al2O3。通过IR、ICP、XRD、SEM、EDS、TGA及N2吸脱附等温线等表征手段对复合物材料进行了表征。并研究讨论了MOFs化合物CPL-1在γ-Al2O3颗粒上生长的机理。
　　(2)分别将复合物CPL-1@γ-Al2O3、HKUST-1@γ-Al2O3和CPO-27-Co@γ-Al2O3用作气相色谱固定相材料，填充长1.0 m内径为2.0mm的不锈钢色谱柱，以He为载气，在液氮温度下，对H2/D2混合组分进行分离。结果表明，HKUST-1@γ-Al2O3复合物作为色谱填充材料分离H2/D2的分离度为1.2，虽然未能实现完全分离，但比纯的γ-Al2O3的分离效果好（分离度仅为0.607）。改变HKUST-1的负载量对固定相的分离性能没有明显改善，载气流速的变化对H2/D2的分离度也没有明显影响，载气流速在30～150 mL· min-1范围内分离度均在1.2左右。而对于CPO-27-Co@γ-Al2O3固定相，由于CPO-27-Co对H2/D2具有较强的吸附能力，使得在较高载气流速150 mL·min-1时色谱峰形仍拖尾严重，12 min时才出峰完全，且二组分峰重叠较大，分离度仅为0.85。而复合物材料CPL-1@γ-Al2O3可实现H2/D2混合物的完全分离，其最佳分离度R可达1.8以上，大于基线分离的1.5。系统研究了CPL-1在γ-Al2O3上的负载量、载气流速对H2/D2分离性能的影响。结果表明，当CPL-1负载量为11.76wt.％，载气流速为120 mL·min-1时，CPL-1@γ-Al2O3对H2/D2的分离性能最佳。在最佳色谱条件下，以CPL-1@γ-Al2O3为固定相对H2/D2混合组分的定量分析，各组分定量分析结果的相对标准偏差(RSD)在0.58％～1.53％范围内，各组分含量与真实值的相对误差均小于0.05。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1．研究背景

1．1．1．氢同位素分离的意义

1．1．2．气相色谱法分离氢同位素的研究现状及存在的问题

1．2．金属-有机骨架化合物材料用作气相色谱固定相

1．2．1．金属-有机骨架化合物简介

1．2．2．金属-有机骨架化合物用作色谱固定相

1．3．金属-有机骨架化合物对氢同位素H2／D2的分离选择性

1．4．金属-有机骨架化合物在氧化铝基质上的负载方法

1．4．1．原位生长法

1．4．2．晶种法

1．4．3．液相外延法

1．4．4．微波诱导法

1．4．5．快速热沉积法

1．5．课题的选题思路及本课题的研究内容

参考文献

第二章 新型MOFs@γ-Al2O3气相色谱固定相材料的制备与表征

2．1．引言

2．2．实验部分

2．2．1．实验试剂与设备

2．2．2．色谱填料的制备

2．3．结果与讨论

2．3．1．红外分析

2．3．2．粉末XRD分析

2．3．3．SEM图和EDS能谱分析

2．3．4．CPL-1、HKUST-1和CP0-27-Co在γ-Al203上生长的机理

2．3．5．N2吸脱附等温线

2．3．6．复合物填料的热稳定性

2．4．结论

参考文献

第三章 MOFs@γ-A1203复合物作为色谱固定相材料对H2／D2的分离性能研究

3．1．引言

3．2．实验部分

3．2．1．实验试剂与设备

3．2．2．色谱柱的制备与活化

3．3．结果与讨论

3．3．1．色谱条件的选择

3．3．2．γ-Al2O3和MnCl2@γ-Al2O3作为色谱固定相材料对H2／D2的分离

3．3．3．HKUST-1@γ-Al203作为色谱固定相对H2／D2的分离

3．3．4．CPO-27-Co@γ-Al203作为固定相对H2／D2的分离

3．3．5．CPL-1@γ-Al203作为同定相对H2／D2的分离

3．3．6．氢同位素H2／D2的定量分析及重复性验证

3．4．结论

参考文献

第四章 结论与展望

4．1．结论

4．2．展望

致谢

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