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高选择性分子筛膜作为预浓缩器在爆炸物检测中的应用

赵杰  
【摘要】:自从美国9/11事件之后,提高安全性和预防损伤的必要性比以往任何时候都重要。世界各地的恐怖主义威胁和数百万埋在地下未爆炸的地雷需要开发一种能够快速,可靠和紧凑的爆炸物检测设备,它应被纳入到手持设备或远程监控设备。考虑到普遍采用的爆炸装置大多数没有密封屏蔽,因此通过检测空气中的爆炸物分子来确定爆炸物的存在成为可能。但传感器设备进行检测的关键问题是环境条件下灵敏度低。这是由于常用的硝基炸药(TNT,硝酸甘油,DNT,黑索金,特屈儿等)本身的蒸汽压很低,而自然空气流动使浓度进一步稀释至更低的ppt或ppb级。在大型开放地域,如机场、火车站,即使是最好的传感器也很难检测这种经过稀释的低浓度爆炸物分子。一个简单而有效的解决方案是为传感器设计一个预浓缩装置,以提高检测灵敏度。 由于其孔道尺寸和吸附选择性,分子筛膜近几十年来被用于气体分离。其中的MFI结构的分子筛膜具有0.51-0.56nm的孔道直径,由于其孔道直径小于爆炸物分子而大于空气分子而被用作分子筛膜材料。而一层超薄的分子筛膜应该能够过滤掉空气分子而使爆炸物蒸汽浓缩。由于分子筛膜的通量足够大,使得其能在短时间内流过大量空气分子,快速浓缩爆炸物分子,从而使传感器能够检测超低浓度(ppt或更低)的爆炸物。 本课题采用二次生长法在多孔不锈钢,多孔镍和α-Alumina载体表面合成了无缺陷的薄沸石分子筛膜,经过热焙烧或紫外线处理后,表征其渗透速率和对爆炸性分子的浓缩效率。为了避免膜在高温焙烧时开裂,采用UV/Ozone处理方法在较低温度下脱除分子筛内的有机模板剂。选用1,3,5-三甲苯(TMB)分子作为模型化合物,通过分离氮气与TMB的混合气体检测膜的选择性。通过文献检索,这是首次采用分子筛膜进行TMB、氮气二元混合物分离的工作。 与分子筛膜在载体一侧的单侧膜相比,分子筛膜在载体两侧的样品测得的选择性和渗透率较高。采用较大孔径的载体制备的膜可减少载体阻力,从而增加渗透率。经UV处理的α-Alumina支撑的双层膜具有最高的氮气通量(13.5mmol/m2·s)和选择性(10600)。 有机官能化是一种对分子筛表面进行改性的有效方法。硅烷试剂与分子筛表面的羟基基团反应不仅能够提高分子筛膜的疏水性能,还能提高疏油性能。采用纯碳氟链的硅烷试剂有机官能化的分子筛膜比采用一般硅烷试剂拥有更高的疏水性能。疏水层的疏水角在130°-150°之间。由于ZSM-5有更强的羟基基团,其有机官能化后的疏水角高于同样条件下处理的Silicalite-1分子筛膜。且分子筛上的有机官能团具有较好的耐热性,能够耐300°C高温过程。有机官能化对分子筛膜分离渗透率或选择性影响不明显,但可增加膜分离含有强吸附有机物的混合气体或湿空气时的耐久性。另外,载体的性能也会影响分离层的耐久性,且烷基化α-Alumina支撑的分子筛膜的耐久性优于多孔镍支撑的分子筛膜。


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