小孔沸石分子筛膜及其钯复合膜的制备与应用

摘要

在环境问题日益严重的今天，氢气作为一种绿色的能源得到了普遍的青睐，然而氢气是一种二次能源，需要通过水煤气法、石油热裂解等方法制备得到，但这些方法同时还会产生CO2、N2及一些含碳化合物等副产物，因此对于氢气提纯的研究显得至关重要。沸石分子筛膜作为一种新型的无机膜材料在气体分离领域已成为研究热点。
　　按照孔道结构和孔径的大小，沸石通常可以分为小孔、中孔、大孔材料等，其中一些小孔沸石分子筛如SAPO-34(0.38×0.38 nm)、DDR(0.36×0.44 nm)等具有与某些小分子气体直径相当的孔径，并同时兼有沸石材料良好的热力学稳定性等，因此可用于一些小分子气体的分离领域中。另外，在氢气分离领域中，钯膜由于具有优异的透氢选择性，一直都是研究的热点。本文在结合对现有工艺的分析，提出了适合工业化发展的研究方案，主要内容如下:
　　(1)应用蒸汽相转化涂晶法，在廉价大孔α-Al2O3陶瓷管载体上均匀涂覆晶种，通过二次生长法合成出性能较好的SAPO-34沸石分子筛膜。在气体渗透性能测试中，常温下H2的通量可达6.724×10-6 mol·m-2s-1Pa-1，而且氢气的分离选择性H2/CO2、H2/N2、H2/CH4、H2/C3H8及H2/i-C4H10分别为1.813、7.479、14.337、27.445及54.226。
　　(2)为提高SAPO-34沸石膜分离H2与其他气体分子的分离选择性，本文提出应用化学镀法制备Pd/SAPO-34复合膜。制备得到的复合膜对于氢气的选择性有很大提高，测试温度为573K时，H2/CO2、H2/N2、H2/CH4的选择性分别为65、96、182，H2通量达8.29×10-7 mol·m-2s-1Pa-1;当测试温度为873K时，分离效果达最佳，H2/CO2、H2/N2、H2/CH4的分离选择性分别为182、215、377，H2通量达3.04×10-6 mol·m-2s-1Pa-1。
　　(3)在大孔α-Al2O3载体上合成DDR前驱体沸石膜并负载钯膜进行修饰，以提高沸石膜的透氢选择性。在制备DDR沸石膜的过程中为避免发生转晶，缩短沸石膜的合成时间，形成DDR型沸石前驱体膜层，并应用化学镀法制备Pd/DDR-precursor复合膜。当测试温度为873K时，分离效果达到最佳，H2/CO2、H2/N2、H2/CH4的选择性分别为170、185、305, H2通量达1.91×10-6 mol·m-2s-1Pa-1。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 膜分离技术的研究进展

1．1．1 多孔材料的发展

1．1．2 膜分离技术的发展

1．1．3 气体分离膜的研究进展

1．2 沸石分子筛膜概述

1．2．1 沸石分子筛简介

1．2．2 沸石分子筛膜简介

1．2．3 沸石分子筛膜的制备方法

1．3 微孔沸石分子筛结构

1．3．1 SAPO-34型沸石分子筛概述

1．3．2 DDR型沸石分子筛概述

1．4 本论文的研究背景和规划

1．4．1 论文研究背景

1．4．2 论文研究规划

2 SAPO-34分子筛膜的合成研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验所用药品及设备仪器

2．2．2 载体的预处理

2．2．3 SAPO-34晶种的制备

2．2．4 蒸汽相转化法涂晶-二次生长法制备SAPO-34沸石膜

2．2．5 材料表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 SAPO-34大、小晶种的结构特征分析

2．3．2 SAPO-34沸石膜的结构分析

2．3．3 SAPO-34分子筛膜的气体渗透性能

2．4 本章小结

3 化学镀法制备Pd／SAPO-34复合膜

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验所用药品

3．2．2 化学镀法制备钯—沸石复合膜工艺流程

3．2．3 SAPO-34沸石膜的制备

3．2．4 化学镀法制备Pd／SAPO-34膜及Pd／Al2O3复合膜

3．2．5 材料表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 钯膜的沉积

3．3．2 钯复合膜的形貌与结构

3．3．3 钯膜选择性透氢机理

3．3．4 钯复合膜气体渗透性能

3．4 本章小结

4 Pd／DDR-Precursor复合膜的制备

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验所用药品

4．2．2 原位水热法制备DDR分子筛

4．2．3 制备DDR-Precursor膜及Pd／DDR-Precursor复合膜

4．2．4 材料表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 DDR型沸石分子筛的结构特征分析

4．3．2 复合膜的形貌与结构

4．3．3 气体渗透性能

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢