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高性能T型沸石分子筛膜的制备及其渗透蒸发性能研究

罗益韦  
【摘要】:酸性条件下有机溶剂脱水在工业生产过程中具有重要需要,耐酸高性能分离膜的研制也是膜领域的难题之一。沸石分子筛膜具有良好的机械稳定性、热稳定性、耐有机溶剂及规则结晶孔道赋予的分子筛分选择性等特点,可用于高温、强溶剂等条件下的分离应用。T型沸石分子筛的八元环孔道直径为0.36 nm ×0.51nm,骨架硅铝比3~4,兼具特定的耐酸性和较高的亲水性,在工业领域具有潜在的应用前景。本文针对NaA沸石分子筛膜耐酸稳定性低的问题,通过控制晶体生长热动力学因子,实现了晶种层晶种的外延取向生长,制备出取向及厚度择优的耐酸高性能T型沸石分子筛膜,探究了晶种层微结构对膜外延生长过程的影响,并对膜的水热稳定性和耐酸性进行了深入考察。主要内容如下:(1)二次生长法制备沸石分子筛膜,其晶种的形貌、尺寸等微结构性质对膜的分离性能起重要作用。本文调控了晶化时间、晶化温度、碱度、加热方式、硅溶胶以及加料顺序等晶体生长热动力学因子,优化合成得到了不同形貌及尺寸的T型沸石分子筛晶体,为晶种层微结构控制及膜性能调控奠定了基础。(2)沸石分子筛膜合成液中各组分含量直接影响了硅、铝酸根离子的水解和聚合,影响膜的生长。本文考察了T型沸石分子筛膜合成过程中合成液的水含量、碱度及二氧化硅含量对膜的形貌及性能的影响。当合成液配比为1 SiO2:0.05 Al2O3:0.26 Na2O:0.09 K20:35 H20时,在150 0C下水热晶化4 h得到的膜性能最佳,应用于75 ℃渗透蒸发分离90 wt.%异丙醇/10 wt.%水,通量为5.8 kg·m-2·h.1,分离因子10000。(3)深入研究了氧化铝载体上T型沸石分子筛膜的生长过程,揭示了膜的外延生长机理,即具有ab取向的T型沸石晶种层经过外延生长闭合晶体间的空隙,进而沿c方向快速生长,最后形成了一层与晶种层厚度相近的连续致密的沸石膜层。考察了晶化温度、晶化时间及晶种尺寸和形貌等对膜层微结构和渗透蒸发性能的影响。对晶化温度100~150℃膜生长过程的时间追踪表明T型沸石分子筛膜生长过程中,在不同晶化温度,虽然膜生长速率不同,但均是通过晶种的外延生长得到取向和厚度择优的膜。对尺寸0.4~3 μm的米粒状晶种和球形晶种制备的T型沸石分子筛膜考察发现较小尺寸的晶种可获得致密膜层,较大尺寸的晶种会获得较多缺陷的膜,膜均是通过同一外延生长机理形成取向膜。(4)针对目前中空纤维载体上难获得高质量晶种层这一难题,提出了变压真空浸渍涂晶法得到高质量晶种层,通过晶体外延生长得到了3~4 μm厚的ab取向的T型沸石分子筛膜,应用于75 ℃渗透蒸发分离90 wt.%异丙醇/10wt.%水体系,其通量高达9.8 kg.m-2·h-1,分离因子为3790。通过晶种的外延生长在氧化铝载体管上得到了取向及厚度择优的高性能T型沸石分子筛膜,同样适用于莫来石载体,两种载体上所制备的ab取向T型沸石分子筛膜,应用于75 ℃渗透蒸发分离90 wt.%异丙醇/10 wt.%水混合物,通量均5.8 kg·m-2·h-1,分离因子均10000。(5)探究了如异丙醇/水、乙酸乙酯/水等体系T型沸石分子筛膜分离性能时间依存性,膜具有较好的水热稳定性。与渗透蒸发相比,蒸汽渗透分离过程温度较高,高温下T型沸石对水分子的吸附作用减弱,水分子吸附在膜表面后很快又脱附,且扩散快,膜通量比较稳定。针对耐酸性脱水问题,对异丙醇/水/乙酸较强酸体系,四氢呋喃/水/盐酸强酸等不同酸体系,考察其分离性能时间依存性。膜具有较好的耐酸稳定性,渗透侧均未发现酸,所合成的T型沸石分子筛膜具有较好的耐酸性,具有广泛的工业应用前景。


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