FAU型分子筛膜的制备及其气体渗透性能的研究

摘要

FAU型分子筛孔径为0.74nm,与MFI分子筛膜(孔径为0.55nm)和A型分子筛膜(孔径为0.42nm)相比具有较大的孔尺寸,而工业上很多重要物质的分子动力学直径与之相近,因此FAU型分子筛膜在大分子和小分子以及大分子与大分子之间的分离、渗透汽化和膜反应器等方面有巨大的应用潜能。开展FAU型分子筛及其复合膜的合成和应用研究具有重要的科学意义。
　　 本论文首先在无导向剂条件下,采用直接晶化法考察了FAU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,采用不同性质的载体为基膜,优化了其中的一些水热合成因素,得出FAU型分子筛膜的合成配方,制备了性能优良的FAU型分子筛膜。将合成的FAU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、晶化时间和晶化温度、体系的水含量和Na2O／SiO2等因素对所制得分子筛结构和形貌的影响。实验结果表明:增加陈化时间有利于生成更多的晶核,但陈化时间过长会导致分子筛粒径增大；晶化温度和时间的延长会使结晶度升高,但容易使产物出现转晶现象,导致杂晶生成；Na2O／SiO2和H20／Al2O3对产物结晶度的影响也较大,合成高结晶度的FAU型分子筛所需合适的Na2O／SiO2和H2O／Al2O3分别为1.0和160。
　　 (2)采用预吸附晶种的方法,在管状莫来石外表面通过二次生长法水热制备了薄且致密的FAU型分子筛膜。讨论了溶胶组成和水热合成条件等因素对所制得分子筛膜的影响,并对膜的气体渗透性能进行了考察。实验结果表明:随着陈化时间的延长,加快了晶体成长的速率,但陈化时间过短或过长时都生成了P型分子筛杂晶,而且膜表面颗粒变大,膜层变厚；晶化温度影响分子筛的成核速率,合成温度越高,形成的分子筛的颗粒越大,结晶度越好,但是合成膜存在较大缺陷；合成时间过短,载体表面的膜层较薄,合成时间过长,则容易形成P型分子筛,膜的厚度变厚(约15μm)；高Si／Al比合成的分子筛膜伴有P型分子筛杂晶的生成,且膜表面颗粒明显增大；随着水含量的增加,分子筛膜表面较平滑且膜层厚度较薄；而体系中的Na／Si比对分子筛膜的合成影响不大。而这些因素也影响了膜的渗透通量和选择性,在较优的水热合成条件下合成的分子筛膜表面晶粒规整,且连续性和致密性都较好,膜层厚度约为5μm。单组分的气体渗透测试结果表明FAU型分子筛膜厚度越厚,渗透通量越低。N2／CO2双组分气体通过FAU型分子筛膜,N2优先通过分子筛膜,其分离因子达7.85。
　　 (3)采用干湿法纺丝技术和烧结法相结合制备了具有非对称性结构的Al2O3中空纤维陶瓷膜,该结构是由两边的指状多孔层和中间的海绵状致密层构成,其中海绵状致密层为有效的分离层,室温下膜对N2的渗透流率为4.5×10-5mol／m2·Pa·S。然后以AlO3中空纤维陶瓷膜为载体基膜,采用二次合成法制备FAU型中空纤维分子筛膜,合成的分子筛膜膜层厚度约为7μm,晶粒规整,且连续性和致密性都较好,膜层厚度约为5μ,αN2／CO2值达7.00。

目录

文摘

英文文摘

第一章 概述

1.1 膜技术发展史

1.2 无机膜特点及其分类

1.3 分子筛膜概述

1.3.1 分子筛膜的性能及特点

1.3.2 分子筛膜制备方法

1.3.3 分子筛膜的应用

1.3.4.分子筛膜的载体及表征方法

1.4 FAU型分子筛膜概述

1.4.1 FAU型分子筛的结构及性能

1.4.2 FAU型分子筛膜的研究现状

1.5 论文选题

第二章 FAU型分子筛的制备及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂及仪器

2.2.2 实验步骤

2.2.3 表征方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 陈化时间对分子筛结构的影响

2.3.2 晶化时间对分子筛结构和晶型的影响

2.3.3 晶化温度对分子筛结构的影响

2.3.4 Na2O/SiO2对分子筛结构的影响

2.3.5 水含量对分子筛结构的影响

2.4 本章小结

第三章 管式FAU型分子筛膜的合成及N2/CO2气体的分离

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 原料和仪器

3.2.2 实验步骤

3.2.3 表征方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 陈化时间对分子筛膜结构和形貌的影响

3.3.2 晶化时间对分子筛膜结构和形貌的影响

3.3.3 晶化温度对分子筛膜结构和形貌的影响

3.3.4 Na/Si比对分子筛膜结构的影响

3.3.5 Si/Al比对分子筛膜结构和形貌的影响

3.3.6 体系水含量对分子筛膜形貌的影响

3.3.7 膜的气体渗透性和选择性测试

3.5 本章小结

第四章 FAU型中空纤维分子筛膜的制备和表征

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 原料和仪器

4.2.2 实验步骤

4.2.3 表征方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 Al2O3中空纤维膜的微观结构表征

4.3.2 烧结过程中的反应行为

4.3.3 烧结过程中的成分及物相的变化

4.3.4 Al2O3粒径对中空纤维膜的影响

4.3.5 Al2O3粒径对FAU型中空纤维分子筛膜形貌和性能的影响

4.4 本章小结

第五:章全文总结

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的成果