FAU型分子筛膜的制备及其气体渗透性能的研究

论文摘要

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H2O/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4.5×10-5 mol/m2•Pa•s。然后以Al2O3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5μm,值达7.00。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 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
• 20/Si0₂ 对分子筛结构的影响'>2.3.4 Na₂0/Si0₂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
• 2/C0₂气体的分离'>第三章 管式FAU 型分子筛膜的合成及N₂/C0₂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
• 20₃ 中空纤维膜的微观结构表征'>4.3.1 A1₂0₃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
• 20₃ 粒径对中空纤维膜的影响'>4.3.4 A1₂0₃粒径对中空纤维膜的影响
• 20₃ 粒径对FAU 型中空纤维分子筛膜形貌和性能的影响'>4.3.5 A1₂0₃ 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