优化氧化石墨烯层间距实现ZIF-8原位生长增强页岩油分离性能

这篇研究通过调控氧化石墨烯（GO）层间距，原位生长沸石咪唑酯骨架材料（ZIF-8），构建了具有16.4±0.8 L m?2 h?1 bar?1溶剂渗透率的复合膜，对正二十二烷的截留率接近100%，性能超越商用膜71倍。该膜在页岩油复杂体系中实现了分子量310 g mol?1以下的碳氢化合物高效富集，为石油分馏提供了节能新方案。

　　

引言

碳氢化合物的分离是石化工业的核心挑战，传统蒸馏工艺消耗全球10-15%的能源。本研究提出利用金属有机框架（MOF）与氧化石墨烯（GO）的协同效应，通过四甲基氯化铵精确调控GO层间距，实现沸石咪唑酯骨架材料（ZIF-8）的原位限域生长，构建高性能分离膜。

材料表征与合成机制

X射线衍射（PXRD）显示季铵盐分子量与GO层间距扩展呈正相关，甲基铵盐修饰的膜层间距达1.6 nm。同步辐射X射线吸收谱（XAS）证实Zn²⁺同时与GO羧基氧和ZIF-8咪唑氮配位，形成"结构桥"作用。波数变换（WT）分析显示Zn-N/Zn-O键共存，膜比表面积达97 m² g^?1，较纯GO提升24倍。原子力显微镜（AFM）观察到ZIF-8纳米颗粒均匀嵌入GO层间，膜厚度增至24 nm，机械强度提升300%。

分离性能突破

在正己烷体系中，膜对正二十二烷截留率>99%，渗透通量达16.4 L m^?2 h^?1 bar^?1，符合Hagen-Poiseuille定律。分子动力学模拟揭示C₂₂烷烃因范德华力吸附在膜表面，而正己烷（动力学直径0.43 nm）可自由穿透0.34 nm的ZIF-8孔道。80℃高温下通量提升至19.5 L m^?2 h^?1 bar^?1，连续运行60小时性能无衰减。

页岩油实际应用

处理松辽盆地古龙页岩油时，膜对C₂₀以下组分富集度达98%，分子量截留阈值为310 g mol^?1。傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）显示渗透液中双键当量（DBE）值较高的芳烃组分增加，证实膜对链烷烃/芳烃的选择性分离。与商业PuraMem^?膜相比，通量提高71倍的同时保持相当分离精度。

机制创新与展望

该研究首创"季铵盐插层-ZIF限域生长"协同策略：

1. 1.

   季铵盐动态调控GO层间距，为ZIF-8生长提供纳米反应器

2. 2.

   ZIF-8晶体作为交联剂抑制GO溶胀，在有机溶剂中保持0.34 nm稳定孔径

3. 3.

   π-π堆叠作用维持膜柔性，弯曲半径可达5 mm不破裂

   该技术为页岩油轻质组分提取和润滑油基础油精制提供了新思路，未来可通过调控ZIF-8有机配体进一步优化分离选择性。