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FAU型沸石膜的合成、表征及其渗透蒸发性能研究

孙国锋  
【摘要】:沸石膜具有均一、分子大小的孔道,非常适合于通过渗透蒸发过程来分离液相混合物。目前,沸石膜渗透蒸发过程主要用于结构比较简单的醇类脱水,而较少用于结构复杂的醇类脱水及多元组分混合物的分离。三氟乙醇是通过酯化反应合成甲基丙烯酸三氟乙酯的主要原料,脱除产物中的水分可以有效提高反应速率和反应转化率。同样,1,3-丙二醇作为丙三醇或葡萄糖的生物发酵产物,选择有效的分离方法回收丙三醇和葡萄糖中的1,3-丙二醇也具有重要意义。 FAU型沸石膜,包括NaX(Si/Al=l~1.5)型和NaY(Si/Al1.5)型,拥有三维孔道结构和孔直径为0.74nm的十二元环,较大的孔道尺寸和优先吸附能力使其在分离液相混合物方面具有特殊的优势。目前,主要采用二次生长法来合成FAU型沸石膜,但是该法存在着操作复杂、成本高、实用类型少等缺点,非常不利于在工业上规模化应用。针对上述问题,本论文主要开展以下几方面研究工作: 首先,采用载体与凝胶液共陈化成核的两段原位法在多孔α-Al2O3载体上合成NaX型沸石膜。第一段,将载体置于凝胶液中在20~50℃下共陈化24-168h后,再于90℃下反应4-12h;第二段,于凝胶液中在90℃下再次反应2~8h。研究发现,原位陈化过程在NaX型沸石膜的第一段合成中起着决定性的作用,其不但可以压制ANA和CHA型沸石相的形成并且会缩短在载体表面的成膜时间;第二段采用稀凝胶液(H2O/SiO2=500)合成时,所合成的膜要比采用浓凝胶液(H2O/SiO2=200)所合成的膜表面粒子更加细微、均一。其中,当载体和凝胶液在50℃下共陈化48h后,于90℃下连续反应两次4h所合成的膜表面是由2μm左右的沸石晶体组成的,晶体间具有良好的互生性,膜表面很平整。在室温下,当膜两侧压差为100kPa时,N2和CO2的渗透率分别为6.5×10-7mol/m2·s·Pa和4.8×10-7mol/m2·s·Pa, N2/CO2的理想分离因子为1.42,较二次生长法所合成的沸石膜有明显提高。 其次,采用液相导向剂原位成核的两段原位法在多孔α-Al2O3载体上合成出粒径均一、连续的NaY型沸石膜。第一段,将载体置于液相结构导向剂溶液中室温陈化2h后,再于100℃下反应7~8h;第二段,在不含导向剂的合成液中于90℃下再次反应6~12h。研究发现,在第一段合成中可以通过控制液相导向剂的陈化时间和温度、碱度和添加量等来控制所合成NaY型沸石膜的晶粒尺寸。将导向剂的陈化时间从24h延长到120h,沸石膜的晶体粒子尺寸能从2μm减小到500nm左右,其H2/N2和H2/C3H8理想分离因子分别增加12%和27%,显示出小晶粒膜具有更加优良的分离性能。第二段合成中采用凝胶液合成12h后所获得的膜具有良好的晶体互生性和平坦的膜表面,且没有明显的晶间孔和针孔等缺陷。在室温下,当膜两侧压差为100kPa时,H2、N2和C3H8通过膜的渗透率分别为36.7×10-8mol/m2·s·Pa、5.8×10"8mol/m2·s·Pa和5.0×10-8mol/m2·s·Pa,明显高于采用溶胶清液合成12h后所获得沸石膜的渗透率。 本文中,所合成的NaX型沸石膜被用于水/三氟乙醇溶液的渗透蒸发过程,当操作温度为25-65℃,水的摩尔分数为0.05~0.4时,通过NaX型沸石膜渗透蒸发过程能有效的分离水/三氟乙醇溶液。在25℃时,当水的摩尔分数为0.05条件下,渗透蒸发分离过程连续运行5天后各项指标变化基本平稳,水的通量在0.8~1.0kg/m2h范围内随机变动,而分离因子则在2900~3100范围上下波动。所合成的NaY型沸石膜则被用于四元组分水/1,3-丙二醇/丙三醇/葡萄糖混合物的渗透蒸发过程,四元体系通过NaY型沸石膜总通量要明显高于文献中所示通过Silicalite-1、ZSM-5和ZSM-11型沸石膜的渗透通量,接近于通过NaX型沸石膜的渗透通量,但是1,3-丙二醇/丙三醇分离因子则相差不大。还首次研究了NaY型沸石膜内晶体尺寸对渗透蒸发结果的影响,在25℃时,四元体系总通量和各组分通量都随着膜内晶体尺寸(0.5~1.5μm)的增加而增加,而1,3-丙二醇/丙三醇的分离因子则随晶体尺寸的增加而减小。当采用0.5μm的小晶体沸石膜进行渗透蒸发时,1,3-丙二醇/丙三醇的分离因子是64,比通过1.5μm的较大晶体沸石膜渗透蒸发时所获得的结果要高出3%以上,这显示出了小晶粒沸石膜在分离四元组分水/1,3-丙二醇/丙三醇/葡萄糖时具有较高的分离效率。


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