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分子筛膜的合成及气体渗透分离性能

程志林  
【摘要】: 由于分子筛具有分布单一的规整孔道,其孔径尺寸处于微孔范围内,由分子筛构成的分子筛膜有望实现分子水平上混合物的分离,因此,研究和探索分子筛膜对于其工业应用具有重要的意义。 目前分子筛膜的合成方法很多,其中以预涂晶种二次生长方法和微波加热合成方法合成分子筛膜的效果最佳,而且研究相对较少。分子筛膜的合成仍然存在操作复杂、成本高、通量低、实用类型少等缺点。针对这些缺点本论文主要开展了以下研究工作:(1)选择研究较少,对气体分离具有潜在应用前景的NaA分子筛膜为研究对象,对此研究了微波加热法和常规加热法NaA分子筛膜的合成。首次采用汽相预涂纳米晶种二次生长的方法合成出高质量的NaA分子筛膜。(2)首次采用微波加热法合成出纳米NaY分子筛,并以此为预涂晶种在常规加热条件下合成出高质量的NaY分子筛膜。(3)采用添加碱金属盐的方法合成出纳米ZSM-5分子筛,并以此为预涂晶种在常规加热条件下合成出高质量的ZSM-5分子筛膜。 本论文探讨并解决了分子筛膜合成所需载体和膜性能评价方法。本论文采用纳米氧化铝经1150℃煅烧而成多孔陶瓷为载体,该载体具有孔径小(~0.3μm),且孔径分布窄的特点。比较和分析了现有常用的两种膜性能评价方法的利弊。通过分析认为,对于低通量的膜,由于较难达到稳态,吹扫气法的测定较为准确。压力降方法对于测定高通量膜来说操作简单,测定也较为准确。以下分类介绍合成高质量分子筛膜的新途径。 1.NaA分子筛膜 微波加热合成分子筛具有加热时间短,晶粒尺寸小且分布均匀及抑制杂晶的特点。本论文第三章采用微波加热法合成出晶粒尺寸约为300nm的NaA分子筛,以此为晶种首先研究了在微波加热条件下凝胶合成体系合成NaA分子筛膜的合成规律。详细考察了合成条件包括预涂或未涂晶种、放置方式、碱度、钠离子浓度、水量、搅动合成、合成时间和合成次数对合成分子筛膜完整性的影响。研究结果显示,预涂微米尺寸的分子筛晶种合成高质量的NaA分子筛膜需经多次合成才能改善膜的完整性。 为了减少合成次数,降低膜的厚度,制备出高质量的NaA分子筛膜,本论文第三章采用汽相预涂纳米晶种的方法在载体上制备出高质量的纳米晶种层,然后在微波加热条件下合成出高度致密的NaA分子筛膜,膜是由高度孪生的晶体组成。在25℃和0.1MPa的压差下,经过20min合成的膜的H_2渗透率为1.6×10~(-7)mol/Pa·m~2·s,而H_2/N_2的理想选择性最高达到了13.4,显著高于相应的努森扩散值3.74,表明气体扩散受分子筛孔道的影响。渗透温度提高,气体 摘要 渗透率增加,选择性有所下降。 为了检验预涂纳米晶种二次生长方法的适用性,本论文第四章将上述预涂 纳米晶种的方法应用到常规加热条件下合成NaA分子筛膜。在25oC和0.IMPa 的压差条件下,经36h合成的膜的HZ加2的理想选择性最高达14.10,而HZ/C3Hs 的理想选择性最高则达35.30,显著高于相应的努森扩散选择性3.74和4.69, 同时也高于微波加热法合成的NaA分子筛膜。然而,该膜的H:渗透率低于微 波加热法合成的分子筛膜,达到1.ox10-,m。即a’m,·s。 从分子筛膜的应用的观点出发,在保持一定的选择性的同时提高渗透通量 是分子筛膜今后发展的趋势。为了减少反应中反应胶进入载体孔道并阻塞孔 道,提高气体的传输能力,在载体和分子筛膜之间添加活性层是效果最好的方 法之一。本论文第四章首先在载体表面修饰一层孔径在几十纳米的5102中间 层,在中间层上采用汽相法预涂纳米尺寸的晶种在合成反应胶中一次合成出连 生生长的致密NaA分子筛膜。在25oC和O.IMPa的压差条件下,经24h合成 的膜的完整性最好,HZ加2,HZ/C0和HZ/C3HS的理想选择性分别达到7.33, 10.11和18.24,显著高于相应的努森扩散值3.74,3.74和4.69,表明大部分气 体分子是在分子筛孔道中进行扩散。合成膜的H:渗透率为1.10x 10’6m。评a’m2·s,显示出较好的气体渗透能力。 汽相晶化法合成分子筛膜有利于控制膜的厚度,同时能够节省原料。本论 文第四章采用汽相晶化法比较了未涂和预涂纳米晶种NaA分子筛膜的合成。 在25OC和O.IMPa的压差条件下,采用预涂纳米晶种法,经36h合成的膜的 HZ/N2,HZ/CO和HZ/C3Hs的理想选择性分别达4.05,4.60和9.51,高于相应的 努森扩散选择性3.74,3.74和4.69,此时合成膜的H:渗透率为2.07x 10一6m。评a’扩·s,高于前面所有合成方法合成的分子筛膜。 微波加热和常规加热合成NaA分子筛膜的实验结果表明,预涂晶种在合成 分子筛膜过程中起到了增加载体表面凝胶层的晶核数量和促进分子筛连生成 膜的作用,因此NaA分子筛膜的形成是来自于载体表面吸附凝胶层的晶化。 同时,较常规加热法,微波加热法能够抑制NaA分子筛转晶为NaSOD杂晶。 2.NaY分子筛膜 由孔径约为0.7nln的Y型分子筛形成的分子筛膜具有很好的COZ加:分离 能力。研究结果表明,在未涂晶种的条件下,NaY分子筛较难生长成为分子 筛膜,而要获得高质量的NaY分子筛膜,需要在采用预涂晶种二次生长的方 法。本论文第?


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