高性能分子筛膜的研制及成膜机理研究

【摘要】：分子筛膜是一种利用分子筛分机理进行气体分离的无机膜。它的种类很多，其中，炭分子筛膜（CMSM）也称炭膜，是由前驱体经过高温热解形成具有相对较大和较小网状孔隙结构的高性能分子筛膜，与有机膜相比具有较好的热稳定性和化学稳定性，以及更高的渗透选择性，被视为在分离技术应用领域中可以部分替代有机膜的更好的选择。论文主要研究了氧化铝支撑体的制备与修饰、前驱体的合成、炭分子筛膜的研制及成膜机理。 试验采用固态粒子烧结法，以-Al_2O_3为骨料，选择纳米碳粉作为成孔剂，并添加一定组成配比的粘结剂和烧结助剂，以模压成型法将原料压制成型，选择合适的烧结制度，制得孔径分布均匀，孔隙率为49.7%，平均孔径为0.21μm的微滤膜支撑体，并采用溶胶-凝胶法对支撑体表面进行修饰，经修饰后平均孔径缩小到0.14μm。 在85℃恒温水浴锅中，甲醛和苯酚两种单体的摩尔比为1.36，NaOH用量为0.65%，反应时间为2h，得到残炭量较高的热固性酚醛树脂，通过与热固性酚醛树脂的标准红外光谱图相比较，合成产物具有酚醛树脂的特征结构，适合作为炭分子筛膜的前驱体使用。 采用浸渍提拉法对修饰后的支撑体进行涂膜，经600℃炭化后，炭膜对H_2的渗透速率为67.5×10~(-9)mol/m~2·s·Pa，H_2/N_2、H_2/CO_2分离系数分别为19.6和8.9，远大于努森扩散分离因子，说明气体是以分子筛分机理通过的炭膜，具有重要的氢气分离前景。经有机硅和3分子筛掺杂改性后，酚醛树脂炭分子筛膜的气体渗透性均有所提高。并通过聚合物热解过程中的热稳定性、化学结构变化及微晶结构变化对炭膜的成膜机理进行了系统研究，为高性能炭分子筛膜的制备提供一定的实验数据和理论基础。