NaX型中空分子筛膜的制备及其气体渗透性能研究

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分子筛膜是一种重要的无机膜,除了具有无机膜本身耐高温、耐高压和耐腐蚀等优点外,还具有分子筛的很多优点:分了筛的孔径为分子水平,因此不同分了可以通过分子筛分得到有效分离;分子筛种类及结构的多样性决定了分子筛性质的多样性,所以实验和工业生产中可以根据其分离要求去选择合适的分子筛作为膜材料;可对分子筛的孔道及其孔道外表面进行修饰和改进,使分子筛孔径和吸附性能具有可调变性。NaX型分子筛的孔径约为0.74nm,具有三维孔道结构。相比其他分子筛,NaX型分子筛具有较大的孔尺寸,因此,NaX型分子筛膜在较大分子的混合物体系的分离、渗透汽化和膜反应器等方面有很大的发展空间,逐渐成为膜领域最有发展前景的膜材料之一本论文首先在无导向剂条件下,采用直接晶化法考察了NaX型分子筛的制备条件,然后在此基础上对分子筛膜合成方法进行了改进,采用A1203中空纤维陶瓷膜为基膜,优化了其中的一些水热合成因素,得出NaX型分子筛膜的合成配方,制备了性能优良的NaX型分子筛膜。将合成的NaX型分子筛膜用于N2/CO2混合气体的分离,得到了较好的N2/CO2分离效果。主要的实验结论如下:(1)分别考察了陈化时间、晶化时间、晶化温度、碱度和体系的水含量等因素对所制得分子筛结构和形貌的影响。实验结果表明:陈化时间的延长有利于生成更多的晶核,但陈化时间过长会导致NaP型分子筛的出现;晶化时间的延长和温度的升高都有利于分子筛晶体的生成,但产物会出现转晶现象,生成杂晶;Si/AI对分子筛合成的影响不显著,Na/Si和水含量对产物结晶度的影响较大。(2)采用干湿法纺丝技术和烧结法相结合制备了Al2O3中空纤维陶瓷膜,在其外表面通过二次生长法水热制备了致密连续的NaX型分了筛膜。讨论了溶胶组成和水热合成条件等因素对所制得分了筛膜的影响,并对膜的气体渗透性能进行了考察。实验结果表明:延长陈化时间,会加快晶体成长速率,但陈化时间过长会生成NaP型分子筛;晶化时间太短,支撑体表面没有生长出完整性良好的膜层,过长的晶化时间可能会导致聚晶堆积现象,使得膜层变厚并且膜表面不平整:晶化温度影响分子筛晶体的生长成膜速率,一定温度范围内,随着晶化温度的升高,分子筛膜的晶体生长速率变快:体系中Na/Si须保持适中,否则支撑体表面将没有晶体形成或者形成的膜有缺陷;在本文实验范围内,Si/Al对分子筛膜的合成影响不显著;水含量过低时,形成的晶粒尺寸不均一,膜层较厚且表面粗糙。水含量过高时,分子筛结晶不完善,膜层表面仍有非晶相存在。在较优的水热合成条件下,NaX型分子筛均匀连续地生长在Al2O3中空纤维膜支撑体外表面,膜层厚度约为30μm。N2/CO2双组分气体通过NaX型分了筛膜,N2优先通过分子筛膜,其分离因子达4.96。(3)采用嫁接法对NaX型中空纤维分子筛膜进行有机胺官能化,利用有机胺与CO:较强的结合能力,进而显著地提高了膜的分离效率。
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