无模板剂耐酸性ZSM-5沸石膜的制备及在渗透汽化脱水中的应用

摘要

渗透汽化是一种高效率、低能耗、投资少的新型环保膜分离技术，其分离过程不受汽-液平衡的限制，特别适合共沸物的分离，广泛应用于有机物脱水尤其是醇类有机溶剂脱水的研究。ZSM-5沸石膜具有很高的热稳定性、耐酸性、离子交换性和良好的选择性，是理想的渗透汽化膜分离材料。通过适宜路线制备高质量ZSM-5沸石膜已成为膜研究的热点。
　　本文采用二次生长法，无模板剂条件下在α-Al2O3载体上制备ZSM-5沸石膜，用异丙醇/水体系评价膜的渗透汽化性能。研究了晶种浓度、晶化次数、晶化时间、Si/Al摩尔比和F/Si摩尔比对ZSM-5沸石膜渗透汽化性能的影响，确定出两次预涂晶种，两次晶化合成，n(F/Si)=0.9；n(Si/Al)=7的ZSM-5沸石膜制备方法。通过优化膜的合成时间、晶种浓度、涂晶温度等条件，提高了膜的渗透汽化性能，可制备出高通量高选择分离性的ZSM-5沸石膜，其渗透通量高达1.106 kg·m-2·h-1，分离因数高达24991。
　　用优化条件下制备的ZSM-5沸石膜进行热稳定性和耐酸性测试，结果表明在不同的温度条件下ZSM-5沸石膜的分离因数均在1×104以上，说明其有很高的热稳定性。在pH约为5.8酸性环境中，考察了操作温度对沸石膜渗透汽化性能的影响。当操作温度为70℃，进料乙酸乙酯浓度约为97 wt.％时，渗透通量可达0.287 kg·m-2·h-1，分离因数可达3790。在pH约为5.8的乙酸乙酯溶液中浸泡10 d后，其渗透汽化分离因数为7894，说明ZSM-5沸石膜具有一定的耐酸性。
　　用制备的ZSM-5沸石膜对异丙醇水溶液进行脱水浓缩，在进料异丙醇浓度约为80 wt.%、操作温度为70℃条件下，脱水浓缩48 h后，异丙醇浓度升高至99.613 wt.%，渗透液水含量保持99 wt.%以上，表明ZSM-5沸石膜可以高效分离水和异丙醇。

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第1章 绪 论

1.1 渗透汽化技术和渗透汽化膜

1.2 异丙醇的工业用途及脱水方法

1.3 ZSM-5沸石膜概述

1.4 研究目的与意义

1.5 研究内容

第2章 实验材料和实验方法

2.1 实验药剂、材料和仪器

2.2 实验方法

第3章 ZSM-5沸石膜的水热合成

3.1 晶种浓度对ZSM-5沸石膜性能影响的初步探讨

3.2 晶化次数和晶化时间对ZSM-5沸石膜性能的影响

3.3 n(F/Si)对ZSM-5沸石膜性能的影响

3.4 n(Si/Al)对ZSM-5沸石膜性能的影响

3.5 本章小结

第4章 ZSM-5沸石膜制备条件的优化

4.1 晶化时间的优化

4.2 晶种浓度的优化

4.3 涂晶温度的优化

4.4 XRD表征

4.5 本章小结

第5章 ZSM-5沸石膜的热稳定性和耐酸性

5.1 ZSM-5沸石膜的热稳定性

5.2 ZSM-5沸石膜的耐酸性

5.3 本章小结

第6章 异丙醇渗透汽化脱水浓缩的试验

6.1 进料浓度对ZSM-5沸石膜浓缩性能的影响

6.2 异丙醇溶液的脱水浓缩试验

6.3 本章小结

第7章 结论及创新点

7.1 结论

7.2 创新点

致谢

参考文献

附录1攻读硕士学位期间发表的论文