分子筛膜在气体分离中的应用讲解
分子筛膜-
分子筛膜分子筛膜（Molecular sieve membrane）是一种通过选择性渗透的分离技术，可以分离混合物中分子大小和分子大小之间的差异而得到高纯度气体或液体。
分子筛膜通常由有机或无机薄膜构成，薄膜中包含一种称为分子筛的物质。
分子筛是一种具有多孔结构的晶体，由许多小孔组成。
这些孔的大小和形状可以通过控制制备条件进行调节，以选择性地吸附和分离不同大小和形状的分子。
在薄膜中，这些孔可以作为分离混合物时的“筛子”，只允许较小的分子通过，而阻挡较大的分子。
分子筛膜具有许多优点，例如高分离性能、低能耗、低成本和易于操作等。
它可以应用于空气制氧、气体分离、石油化工、医疗领域和水处理等领域。
以下是分子筛膜在不同应用中的一些案例。
1. 空气制氧：分子筛膜可以用于制备高纯度氧气。
当大气从一侧通入时，氧气可以通过孔道直接穿过薄膜，而氮气和其他气体则被拦截在了另一侧。
因此，分子筛膜可以将空气分离成高纯度氧气和高纯度氮气。
2. 气体分离：分子筛膜可以用于分离混合物中的不同气体，例如二氧化碳和氮气。
在气体分离中，分子筛膜可以通过选择性吸附小分子而选择阻挡大分子的方法进行气体分离。
3. 石油化工：分子筛膜可以用于石油化工行业中的各种应用，例如蒸馏、催化转化和氢气处理。
在蒸馏中，分子筛膜可以用于分离不同碳链长度的烃类。
在催化转化中，分子筛膜可以用于选择性吸附或排除催化反应的组分。
在氢气处理中，分子筛膜可以用于提取氢气，以便用于化学反应或其他用途。
4. 医疗领域：分子筛膜可以用于制备高纯度医用气体，例如氧气、氮气和二氧化碳。
在一些医疗设备中，分子筛膜还可以用于水分离和制备人工肾脏等。
5. 水处理：分子筛膜可以用于去除水中的溶解物和有机物质。
在水处理中，分子筛膜可以用于制备高纯度水或去除水中的污染物。
总结来说，分子筛膜是一种非常有用的分离技术，可以有效地分离不同大小、形状和性质的分子，并在空气制氧、气体分离、石油化工、医疗领域和水处理等许多领域中得到应用。
nature_materials,金属-有机骨架mof分子筛膜材料
nature materials，金属-有机骨架mof分子筛膜材料1. 引言1.1 概述MOF分子筛膜材料是一类具有多孔结构的金属-有机骨架（Metal-Organic Frameworks, MOFs），广泛应用于气体分离、储存和传感等领域。
它们由金属离子或簇团与有机配体相互作用生成，具有高比表面积、可调控的微孔结构和吸附性能等特点。
1.2 文章结构本文将首先对MOF分子筛膜材料进行概述，包括定义和特点、应用领域以及研究现状。
接着，我们将详细介绍制备MOF分子筛膜材料的方法，包括溶剂热法合成和界面法制备，并探讨其他制备方法的发展和优化。
之后，我们将重点关注MOF分子筛膜材料在气体分离中的应用，分析其在氢气纯化与制备、二氧化碳捕捉与回收技术以及其他气体混合物分离方面的研究进展。
最后，我们将对MOF 分子筛膜材料工作进行总结并展望其未来研究方向，同时探讨其在实际应用中的挑战和前景。
1.3 目的本文旨在综述MOF分子筛膜材料的研究进展，探讨其制备方法和气体分离应用，并对未来研究方向进行展望。
通过对该领域的深入了解和分析，希望为相关领域研究人员提供参考，并促进MOF分子筛膜材料在气体分离领域的应用发展。
2. MOF分子筛膜材料概述2.1 MOF的定义和特点MOF（金属-有机骨架）是一种由金属离子或簇与有机配体组成的晶态多孔材料。
它通过化学键连结形成三维结构，具有高度可调行为和孔径尺寸可调性，因此在气体吸附、催化、分离等领域具有重要应用价值。
MOF具有以下几个主要特点：首先，MOF材料由金属离子或簇充当节点，通过配体连接形成开放的结构，这使得其具备很高的表面积、丰富的孔道和灵活调控的空间构型；其次，MOF材料可以通过选择不同的金属离子和有机配体来调节聚合度和功能基团，从而实现各种理想的物理和化学性质；再次，由于MOF晶体中存在大量的微米级通道和纳米级空腔结构，使其能够容纳小分子，并且能够根据物理或化学刺激进行吸附和释放；此外，MOF分子筛膜材料还具备优异的化学稳定性，可以在较宽的温度范围内保持结构的稳定性和功能；最后，MOF材料还可以通过灵活调节其结构来实现特定分子的选择吸附、分离和催化。
沸石型分子筛在空气分离中的应用PPT课件
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优点：改变表面窗口大小，孔径大小未改变， 对吸附速率影响小。
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金属阳离子的影响——Li+、Na+、K+
锂离子有近线性的吸收。 虽然在图中显示Ca的性 质更好，但在实际工业 生产中吸收压强（1.2bar） 和释放压强（.35bar，性 质更为优良。 选择性更好
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锂离子取代使得有较好 的吸附性能。 缺点：锂盐的价格高以 及合成上的困难 改进：发展低比例锂离 子取代的沸石分子筛
人工合成X-、Y-沸石也采取这一骨架类型。 骨架组成为[AlnSi12-nO48]n-，硅铝比可以在 一定范围内变化。一般将硅铝比低于2-3 的沸石称为X 型，而高于此值的称Y 型
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——阳离子的分布
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三.沸石分子筛在空气分离中的应用 3.1空气分离的工业用途和意义
骨架中β-笼位于立方晶胞的顶 点，彼此之间以立方笼连接。 中心形成α-笼，α-笼通过三 维八元环孔道连接
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A型分子筛是一种富铝沸石 铝为正三价，取代硅时使得骨架带有负电荷，需 要阳离子来中和，引入了正离子的反应中心 A型沸石正离子——Li+、Na+、K+
4A单胞组成： Na96[Al96Si96O384] ·216H2O
β-笼平均含： Na12[Al12Si12O48] ·27H2O
膜技术在气体分离中的应用
标准技术 / S t a n d a r d T e c h n o l o g y1841 前言以膜为介质来分离物质很早就有应用，但利用高分子膜分离气体的研究工作却只在近20年发展起来。
最早是1954年，美国学者通过特殊的三氟氯乙烯膜，对混合气体进行浓缩时，发现膜对气体具有一定的分离作用，20世纪80年代气体膜分离产品在美国生产后，美国和欧洲都将气体膜分离技术作为主要发展方向之一。
国内的气体膜分离技术也发展迅速，科研机构和膜技术公司通过自主研发，其技术和设备已经达到一定的水平，为国内气体分离膜的发展起了很大的推动作用。
2 气体分离膜的分类气体渗透膜一般可由各类材料构成，膜的制备方法也各不相同，可分为多孔质和非多孔质两种，它们各由无机物和有机高分子材料组成。
其中多孔膜材质包括玻璃、陶瓷、金属、微孔聚乙烯、多孔乙酸纤维等，非多孔质膜（均质）材质包括离子导电性固体（ZrO 2），(β-氧化铝）钯合金、均质乙酸纤维、合成高分子等。
3 气体分离膜的应用3.1 空气分离空气中含有78%的氮气和21%的氧气，空气是工业用氮气和氧气的主要原料，传统氮气和氧气是通过深冷精馏法生产。
但传统方法能耗高、投资大、操作难度大，而通过膜分离发，解决了上述难题，具有很大的发展潜力。
氮在某些工业和商业的应用中并不需要超高纯度，通过膜分离法生产的氮气纯度能达到99%，且投资小。
目前膜分离法制氮大约占氮总生产量的30%。
膜分离过程是将空气通过压缩机，加压至0.8~1.0 MPa，通过膜组件(中空纤维膜组件)，分离得到氧气和氮气。
此系统中原料空气压缩费用占总生产费用的2/3，而膜组件的费用仅占1/3或更少，降低空气压缩费和提高膜通量是减少膜法制氮成本的关键。
通过膜分离法生产的氧气通常不是纯氧，而是富养空气，富养空气不能直接使用，因此，在制氧过程中还需要加入二次分离装置。
一级分离单元中含有21%氧气的空气通过真空泵渗透后生产的富氧空气，再次进行分离，此时进入二级分离系统的气体体积是第一级的1/4~1/3，同时氧的纯度也提高了，所以二级分离比一级分离要容易，也可以使用另外的膜系统，需要的成本也相对较小。
13x分子筛膜
13x分子筛膜13x分子筛膜是一种常用的分离膜材料，具有较高的选择性和通透性，被广泛应用于气体和液体的分离和纯化过程中。
本文将从13x 分子筛膜的特性、制备方法、应用领域等方面进行介绍。
我们来了解一下13x分子筛膜的特性。
13x分子筛膜是一种由13x 分子筛材料制备而成的薄膜，具有较高的分子筛效果和选择性。
它的通孔直径约为10 Å，可以选择性地吸附分离分子尺寸较小的物质，如水分子、氧气分子等，而对较大分子或离子则具有较强的排斥作用。
这种选择性使得13x分子筛膜在气体和液体分离、纯化过程中具有重要的应用价值。
接下来，我们来了解一下13x分子筛膜的制备方法。
目前，常用的13x分子筛膜制备方法主要有溶胶-凝胶法、气相渗透法和浸渍法等。
其中，溶胶-凝胶法是一种常见的制备方法，它通过将13x分子筛材料溶解在适当的溶剂中，然后通过溶胶的凝胶过程形成薄膜。
气相渗透法则是将13x分子筛材料放置在高温的环境中，通过分子扩散使得材料形成薄膜。
浸渍法则是将13x分子筛材料浸渍在适当的溶液中，然后通过蒸发或热处理使得材料形成薄膜。
这些制备方法各有优劣，可以根据具体的应用需求选择合适的方法。
随后，我们来介绍一下13x分子筛膜的应用领域。
由于13x分子筛膜具有较高的分子筛效果和选择性，因此在气体和液体的分离和纯化过程中有着广泛的应用。
在气体分离方面，13x分子筛膜可以用于氧气富集、氢气纯化、天然气脱水等过程。
在液体分离方面，13x分子筛膜可以用于溶剂的回收、有机物的分离和纯化等过程。
此外，13x分子筛膜还可以应用于催化剂的载体、传感器的制备等领域。
总结起来，13x分子筛膜是一种具有较高选择性和通透性的分离膜材料，具有广泛的应用前景。
通过合适的制备方法可以得到具有不同性能和结构的13x分子筛膜，满足不同领域的需求。
在未来的研究中，我们可以进一步探索13x分子筛膜的制备工艺和性能优化，提高其在分离和纯化过程中的应用效率和经济效益。
多级孔结构的mfi分子筛膜-概述说明以及解释
多级孔结构的mfi分子筛膜-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述多级孔结构的MFI分子筛膜是一种具有特殊结构和优异性能的膜材料。
MFI分子筛膜作为一种纳米级孔隙材料，具有高度有序的孔道结构和大比表面积，被广泛应用于分离、催化等领域。
然而，传统的MFI分子筛膜由于其孔道尺寸单一，导致分离效率和通量受限。
为了克服传统MFI分子筛膜的局限性，研究人员提出了多级孔结构的MFI分子筛膜的概念。
多级孔结构的MFI分子筛膜不仅具备传统MFI分子筛膜的优良分离性能，还在孔道结构上引入了更多的变化和多样性。
通过在MFI分子筛膜的孔隙中引入不同直径的微孔和介孔，可以扩大其分子筛膜的通道尺寸范围，提高分离效率和通量。
多级孔结构的MFI分子筛膜的制备方法主要包括模板合成法、直接模板提取法和间接模板提取法等。
模板合成法通过引入特定结构的有机模板剂，在合成过程中形成多级孔结构。
直接模板提取法和间接模板提取法则是通过一系列的模板提取步骤，去除模板剂后得到多级孔结构的MFI分子筛膜。
多级孔结构的MFI分子筛膜具有许多优势。
首先，它们可以调控孔道尺寸和孔道结构，以适应不同分子的分离需求。
其次，多级孔结构的MFI 分子筛膜拥有较大的比表面积和更多的活性位点，使其在催化反应中展现出更高的催化活性和选择性。
此外，多级孔结构的MFI分子筛膜还具备良好的热稳定性和化学稳定性，能够在严苛的工业条件下稳定运行。
发展前景和应用前景方面，多级孔结构的MFI分子筛膜在催化、气体分离、液体分离等领域具有广阔的应用前景。
尤其在生物质催化转化、石油炼化、制备高级化工品等方面，多级孔结构的MFI分子筛膜展现出巨大的应用潜力。
综上所述，多级孔结构的MFI分子筛膜是一种具有广阔应用前景和优异性能的膜材料。
通过引入多级孔结构，它能够克服传统MFI分子筛膜的局限性，提高分离效率和通量。
在未来的研究中，我们有望进一步深化对多级孔结构的MFI分子筛膜制备方法和应用性能的理解，推动其在工业领域中的实际应用。
分子筛在气体分离中的应用研究
分子筛在气体分离中的应用研究在化学工程和工业生产领域，气体分离是一项至关重要的技术。
它不仅在能源、环保、化工等行业中有着广泛的应用，而且对于提高生产效率、降低成本、保障产品质量以及减少环境污染都具有重要意义。
分子筛作为一种高效的吸附剂和分离材料，在气体分离中发挥着越来越重要的作用。
分子筛是一种具有均匀微孔结构的结晶型硅铝酸盐，其孔径大小与分子大小相当。
这种独特的结构赋予了分子筛对不同分子大小和极性的气体具有选择性吸附的能力。
例如，常见的沸石分子筛，如 4A 型、5A 型和 13X 型等，它们的孔径分别约为 04nm、05nm 和 10nm，可以根据气体分子的大小和形状来实现分离。
在氧气和氮气的分离中，分子筛展现出了出色的性能。
空气中氧气和氮气的比例约为 21:79。
传统的深冷分离技术虽然能够有效地分离氧气和氮气，但存在能耗高、设备复杂等缺点。
而分子筛变压吸附技术（PSA）则为氧气和氮气的分离提供了一种更为节能和高效的方法。
在PSA 过程中，利用分子筛对氮气的吸附能力强于氧气的特性，在加压条件下吸附氮气，然后在减压条件下解吸，从而实现氧气和氮气的分离。
这种技术已经广泛应用于中小型制氧设备中，为医疗、工业等领域提供了便捷的氧气来源。
氢气的分离和提纯也是分子筛应用的一个重要领域。
在石油化工、燃料电池等行业中，对高纯度氢气的需求日益增长。
分子筛可以有效地从含有二氧化碳、甲烷、一氧化碳等杂质的混合气中分离出氢气。
例如，5A 型分子筛对氢气的吸附能力较弱，而对二氧化碳、甲烷等分子的吸附能力较强，通过合理的吸附和解吸过程，可以得到高纯度的氢气。
除了常见的气体分离，分子筛在二氧化碳捕集方面也具有巨大的潜力。
随着全球气候变化问题的日益严峻，减少二氧化碳排放成为了全球关注的焦点。
燃烧后捕集二氧化碳是一种重要的减排技术，其中分子筛吸附剂发挥着关键作用。
一些特定类型的分子筛，如沸石 13X 和钠型菱沸石等，对二氧化碳具有较高的吸附容量和选择性，可以有效地从烟道气等混合气中捕集二氧化碳，从而降低温室气体的排放。
分子筛材料在气体分离中的应用研究
分子筛材料在气体分离中的应用研究近年来，随着全球能源危机的加剧和气候变化的严重性不断突显，人们对清洁能源和环境保护的需求日益增长。
而气体的分离技术在能源生产、化工、环保等领域发挥着重要作用。
在气体分离过程中，分子筛材料作为一种普遍应用的材料，不仅能够高效地分离气体和液体，而且可大幅降低分离成本，具有重要的经济和环境意义。
一、分子筛材料的概述分子筛材料是一种具有特殊孔隙结构的材料，是通过离子交换、水解反应或溶剂热法等方法制备而成。
其独特的孔隙结构能够选择性地吸收、分离分子大小相似的气体，包括氢气、氯气、氮气、二氧化碳、丙烷等多种气体分子，因而一直以来都是气体分离领域的重点研究对象。
二、分子筛材料在氢气分离中的应用氢气作为一种清洁、高效的能源源，具有广泛应用前景。
对于制氢工业生产中的氢气含杂质比较高，因此需要通过氢气的分离来纯化氢气。
而分子筛材料作为氢气的高效分离材料，可以被广泛应用于制氢过程的气体纯化中。
近年来，关于氢气分离的研究主要围绕着分子筛材料的表面修饰、特殊结构设计以及协同作用等方向展开。
例如，将二氧化硅、氧化铝等主流分子筛材料通过表面金属化改性后，可以实现高效的金属催化和氢气分离功能。
另外，利用纳米颗粒的特殊结构和表面修饰手段也能够催化氢化反应、分离氢气。
此外，固液两相分离结构和多孔性结构的相互作用可以协同催化反应和分离氢气。
因此，分子筛材料在氢气分离中的研究具有重要的科研和应用价值。
三、分子筛材料在氮气分离中的应用氮气在工业生产、医药制品、化工反应等领域有着广泛的应用。
而分子筛材料的特殊孔隙结构决定了其对于同种气体分子具有特异性的吸附、分离和过滤能力。
因此分子筛材料在氮气分离和制备方面发挥着重要的作用。
分子筛材料在氮气分离中的应用，主要集中在氮气浓缩和生产上。
例如，将分子筛材料空隙内置入离子键、化学键和孔道，实现对氮气的高效吸附和去除其他气体分子的功能。
此外，又可以通过选择合适的分子筛材料、优化氮气输入和压力条件来实现氮气在输气系统中的高效分离。
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晶种-二次 1）预涂纳米级分子筛小晶种
生长
2）调控二次合成液的浓度和水热合成的温度等
成膜机理
非均相成核机理
均相成核机理
二次生长定向 前驱膜是任意取向，二次生
长有较好的生长方向。 前驱膜定向
前驱膜是定向的，经二次生 长可制得取向一致的薄膜。
1.取向分子筛膜研究
取向分子筛膜研究最新进展 原位电化学离子热合成方法
简单
2. 晶种法
用物理、化学方法在载体表面形成分子筛晶种膜
把载体置于分子筛合成母液中，一定水热合成条件下晶化成膜 把晶体的成核和生长过程分离开
更好地控制晶体的生长和膜的微结构
3. 微波加热法
纯度高 合成时间稍短 膜均匀、薄且致密 利于控制膜的微结构
合成方法小结
合成方法 原位合成
优点
直接、简单， 适用面广。
结构可调控 修饰性良好
COPs 材料膜
结构可调控 稳定性良好
缺点
修饰性差 稳定性差 骨架柔性大
分子筛膜的分离机理
分子筛分
表面扩散
努森扩散 毛细管冷凝
二. 分子筛膜的制备
分子筛膜—无机多孔材料膜
1. 原位
一定水热条件下，分子筛晶体在载体表面成核并生长成连续的膜 高温煅烧去除模板剂
分子筛膜在气体分离中的应用
研究生：胡江亮
1
分子筛膜概要
2
分子筛膜的制备
3 分子筛膜的研究发展及应用 4 分子筛膜存在问题及展望
一. 分子筛膜概要
分子筛膜分类
分子筛膜—— 一种可以实现分子筛分的新型膜材料.
它是多孔膜的一种，它不仅具有较大的渗透通量，而且可以凭借分子筛的均一孔道结构
和不同的表面化学特性，起到分子筛分作用，因而在气体分离领域有广泛的应用前景
分子筛膜的特点
分子筛膜—COPs膜
共价有机多孔聚合物是一类完全由轻质元素(C、 H、O、 N、 B 等)通过共价键的方式 连接而成的有机多孔材料。
➢ 良好的化学稳定性与热稳定性 ➢ 孔径可连续可调 ➢ 易于功能化 ➢ 同时具有高分子膜性能
分子筛膜的特点小结
优点
无机多孔 材料膜
MOFs 材料膜
骨架牢靠 稳定性好
成膜方法：浸渍法、相转化法、蒸汽沉积聚合法、超声波沉积法等 预处理：氧化、延展、化学处理等 后处理：氧化、化学气相沉积、热解、涂修饰膜等
二. 分子筛膜的制备
分子筛膜—MOFs膜
原位 溶剂热法
晶种法 ……
分层法
微波法
分层法
分层法图解
➢高度有序、均匀、平整 ➢实现晶体的高度取向性 ➢合成其他方法无法得到的 MOF结构
硅铝(沸石) 分子筛膜
ZSM-5、NaA、NaY和silicalite-1
2 无机多孔材料膜
磷酸(硅)铝 分子筛膜
SAPO-34、SAPO-44和AlPO4-5
分子筛 膜
有机-无机多孔材料膜
碳 分子筛膜
4 金属有机框架 (MOFs)膜
ZIFs、MOF-5、Cu-BTC
有机多孔材料膜
共价有机多孔聚 合物(COPs)膜
DC polarization curves for bare and coated Al in 0.1m NaCl at room temperature. a) bare Al; b) Al coated with random oriented AlPO4-11 film; c) Al coated with nearly in-plane oriented AlPO4-11 film; d) Al coated with in-plane oriented AlPO4-11 film.
缺点
制备时间长；会生成大量分子筛颗粒；合 成条件的要求比较苛刻；且分子筛晶体尺 寸和取向控制的重现性差；膜较厚，温变
时极易产生龟裂，甚至脱落。
晶种-二次生长
合成时间较短，操作 条件范围宽，载体的 影响小，微观结构和 取向的调控较易。
晶种的制备和涂覆过程比较繁琐；合成的 分子筛膜的取向和完备性在很大程度上依 赖于二次合成液的组成，不利于工业放大。
致密MFI型分子筛膜合成
1. 取向分子筛膜研究
取向分子筛膜的优点
➢ 晶粒按照同一方向生长，晶间缺陷减少；
➢ 膜生长只在一侧进行，生长速度和膜厚
可以得到精确控制；
➢ 晶内孔道都与物流方向相一致，渗透流率更大；
合成方法
实现方式
原位合成
1）改变载体表面的化学性质 2）借助载体表面的微结构 3）调控合成液的组成
微波加热
容易发生局部分子筛堆积，很难控制在支
晶化时间短，纯度高、 撑基材表面形成大面积均匀而致密的分子
大小均一。
筛膜；微波发生装置较为昂贵；难以应用
于有模板剂的分子筛合成过程。
二. 分子筛膜的制备
分子筛膜—碳分子筛膜
选择聚合物前躯体
制备聚合物膜
预处理
热解炭化
高性能的碳分子筛膜组件
设计膜组件
后处理
聚合物前躯体：聚酰亚胺、酚醛树脂、聚糠醇、聚丙烯氰等热硬性聚合物
合成方法特点：1）外加电场可控；2）离子液体电化学窗口宽、蒸气压低和热力学稳定性高；
3）方法简单、可控、易放大
Tongwen Yu, Weishen Yang. Angew Chem. Int. Ed. 2015, 54, 13032 –13035.
二. 分子筛膜的制备
分子筛膜—COPs膜
表面合成方法
原位聚合法制备HCPs 膜
三. 分子筛膜研究发展及应用
分子筛膜研究发展
取向分子筛膜、纳米分子 筛膜和超薄分子膜凭借其 独特的优势，成为研究热 点。
分子筛膜研究种类不断拓展， 合成方法出现多样化。
目标
高透气性、渗透选 择性、化学稳定性、 热稳定性分子筛膜的 工业应用，实现气体 的“绿色”分离。
MOFs材料是由无机金属中心(金属离子或金属簇)与桥连的有机配体通过自组装相互连 接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料。
➢ 孔道高度有序
金属离子 配位
周期性网状骨架的多孔材料 自组装
➢ 孔形与尺寸可调
有机配体
➢ 表面可功能化
➢ 柔性的孔道能够可逆地调节孔径来适应吸附物
➢ 可选择金属离子和有机配体来无限构筑多孔材料
PIM-1、COF-5、BDT-COF
分子筛膜的特点
分子筛膜—无机多孔材料膜
➢ 耐高温 ➢ 化学稳定性好 ➢ 机械强度高 ➢ 使用寿命长 ➢ 孔径分布窄 ➢ 沸石分子筛性质的易调变性（离子交换、硅/铝比等） ➢ 碳分子筛孔径与孔分布可以用简单的热化学处理的方法进行调控
分子筛膜的特点
分子筛膜—MOFs膜