用于有机物脱水的ZSM-5沸石膜的制备与研究

【摘要】：渗透蒸发膜分离技术在有机物脱水体系具有重要的应用需求。ZSM-5沸石膜的理论硅铝比为2.5,硅铝比可调变空间大,直线型与正弦型孔道孔径分别为0.53×0.56 nm和0.51×0.55 nm,与许多有机物的动力学直径相近,适合应用于有机物脱水体系。本论文旨在制备高质量低硅铝比的ZSM-5沸石膜,首先探索了水热法合成ZSM-5沸石膜最佳合成方案;随后,创新性的采用湿凝胶转换法制备ZSM-5沸石膜,探究其敏感因素并优化合成条件;最后考察ZSM-5沸石膜在异丙醇/水体系、乙醇/水体系以及乙酸乙酯/水体系的时间依存性以及温度依存性,实现了高通量高稳定性的ZSM-5沸石膜的制备。实验主要内容如下:(1)采用传统水热合成法制备ZSM-5沸石膜,通过考察涂晶条件、晶化温度、晶化时间、小晶种种类以及Na F影响探究水热法制备ZSM-5沸石膜的敏感因素并优化出最佳合成条件。当合成液摩尔比为1 SiO_2:0.20 Na_2O:0.05 Al_2O_3:52 H_2O:0.99 Na F时,制备出的性能最佳的沸石膜对75℃下,90 wt.%的异丙醇/水溶液的渗透通量为3.10kg·m~(-2)·h~(-1),分离因子为9991,表面硅铝比为10.8。将水热法制备出的性能最佳的沸石膜用于异丙醇/水体系进行时间依存性测试,在长达104 h的测试中,沸石膜的渗透通量最终稳定在2.81 kg·m~(-2)·h~(-1),分离因子稳定在8173左右。(2)创新性地采用湿凝胶转换法制备ZSM-5沸石膜,使用湿凝胶转换法制备一根ZSM-5沸石膜所用的凝胶量为传统水热法的三十四分之一,大大地提高了凝胶利用率,更加环保经济。系统的考察了晶化温度、晶化时间、硅源溶解时间以及Na F对于湿凝胶转换法制备ZSM-5沸石膜的影响,探究制备ZSM-5沸石膜的敏感因素。(3)在合成液摩尔比为1 SiO_2:0.20 Na_2O:0.05 Al_2O_3:52 H_2O:0.99 Na F,晶化温度为175℃,晶化时间为72 h,硅源溶解时间为20 h时,湿凝胶转换法制备出的沸石膜具有最佳的性能,并且具有良好的重复性。性能最佳的沸石膜的表面硅铝比为8.8,在75℃下对于90 wt.%的异丙醇/水体系透通量为3.20 kg·m~(-2)·h~(-1),分离因子大于10000。(4)将高质量的ZSM-5沸石膜应用于异丙醇脱水、乙醇脱水以及乙酸乙酯脱水中进行时间依存性考察,在长达104 h的测试中,沸石膜的渗透通量分别稳定在2.96、0.91和2.05 kg·m~(-2)·h~(-1),分离因子分别为10000、6420和10000。同时对这三个体系进行温度依存性考察,沸石膜的通量均随着原料液温度的升高呈现增大的趋势。