[发明专利]一种含氮铝基金属-有机框架材料的成型方法及其空气吸水应用

说明书

本发明提供了一种含氮铝基金属‑有机框架(MOF)材料的成型方法及其空气吸水应用，所述含氮铝基MOFs材料为三维网络结构的固体晶态材料，结构通式为Al(OH)L，其中L为含氮杂环的双羧酸有机配体；所述的MOFs材料可作为吸附剂材料从空气中吸附水蒸气。本发明选用粘结剂共混成型法，采用多种组合粘结剂，实现与多孔材料粉末微晶最大程度外表面接触，而不堵塞孔道，最大限度保证材料本征孔道结构。通过本发明的成型方法得到的MOF材料颗粒，具有高强度的机械稳定性，抗磨损性能，同时要最大程度保留吸附剂原有的吸附分离以及动力学性能。

技术领域

本发明涉及吸附材料成型工艺以及环境与能源的技术领域，具体涉及一种含氮铝基吸水金属-有机框架(MOF)材料的成型方法及其空气吸水应用。

背景技术

淡水资源缺乏是全球面临的众多挑战之一，它正在威胁人类社会的发展。据估计到2025年约三分之二的人口将生活在缺水的国家。尽管地球的大部分表面被水覆盖，但全球水资源的96.5％是海水，不能被直接饮用，只有2.5％是淡水，且仅有0.3％处于液态。大气水是一种潜在的水资源，主要以三种形式存在：云，雾和蒸气，储量估计为12900万亿升，是世界上河流中水的六倍，约占人类可利用淡水资源的10％，在解决水资源缺乏困境方面具有极大的潜力。

除了云雾中存在的微小水滴外，大多数大气水都是以蒸气形式存在，即使在最干燥的沙漠地区，水蒸气也无处不在。从大气中收集水蒸气并获得水资源主要有两种途径：基于空气冷凝的大气水收集以及基于吸附剂的大气水收集。空气冷凝法是将湿空气冷却到其露点以下来进行的，该方法能耗高且对湿度有很高依赖性，在湿度小于50％RH时很难进行且效率极低。吸附剂吸附法是使用吸水材料从空气中吸附水蒸气，然后通过太阳能或废热释放被吸附的水，并使用液化装置获得液态水。相比之下，基于吸附的方法在干旱地区更方便、节能。

目前，传统的吸水剂包括：吸水的无机盐、分子筛和硅胶。但是无机盐脱除水过程极其困难，且在吸水过程中易形成液体，进而对设备产生腐蚀并影响水质；分子筛吸附剂存在吸水量低、水脱附困难和再生温度极高等问题；硅胶由于与水分子作用力不够强，导致这类材料在低湿度下(RH30％)吸水量较低，只适合于高湿度空气吸水。因此，这些传统的吸水材料都不适合于从干燥空气中(RH30％)吸附大量水分子。

金属-有机框架材料(MOF)是一种新型的多孔材料，通过配位键将金属节点和有机配体连接。它们具有高的比表面积和孔隙率，易调控的微孔结构和表面特性，以及对气体/蒸气优良的吸附选择性，近年来被广泛应用于气体/蒸气的吸附与分离，这些特点使其在收集大气水方面有着巨大的潜力。最近，使用MOFs材料作为吸附剂，在空气集水领域已取得了可观的进步。但是用于空气吸水的MOFs材料基本上都是粉末状固体，在实际应用中会出现粉末结块的现象，结块后的MOFs材料由于传热传质效率降低、分布不均匀，会导致其水吸附性能出现一定幅度的下降，且结块后的MOFs材料由于其不规则的形状，可能会对器件产生一定的破坏。此外，MOFs粉末通常较为轻质，在较小的空气扰动下就会被吹散，这会导致MOFs材料在实际运输、安装、使用过程中产生较大的损耗。这些问题大大限制了MOFs材料空气集水的实际应用，将粉末样品通过成型工艺进行加工，有望解决这些实际应用难题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种用于含氮铝基吸水金属-有机框架(MOF)材料的粘结剂共混成型方法，该方法能有效控制成型材料的形貌尺寸，使其在传质传热动力学上具有极高效率。优选的几种粘结剂，能够保证成型后的材料具有极高的机械强度、耐磨性以及水稳性，对其际长期稳定的高效集水应用提供了强有力的可靠保障。通过对粘结剂比例的控制，使成型后的MOFs颗粒在兼具高机械强度的同时，最大程度保持材料本征水吸附性能，推动了MOFs材料空气吸水的实际应用进展。

本发明采用如下技术方案：