Silicalite-1沸石膜的制备与渗透蒸发应用研究

论文摘要

膜分离作为一种新型的分离技术,由于其能耗低、设备简单、选择透过性好等优点,近年来得到广泛的研究。Silicalite-1沸石由于其骨架中不含有铝原子,是硅铝分子筛中疏水性最强的一种,可以用于水中少量有机物的脱除。Silicalite-1沸石膜具有非常良好的醇／水的分离性能,将其应用于生物质发酵制备燃料乙醇和燃料丁醇的过程中,能及时移出发酵液中醇类物质,维持发酵罐较低的醇浓度,能有效保证发酵过程的连续性,从而可以克服传统分离方法的不足,改变传统间歇式发酵过程。本论文首先采用传统的水热合成方法制备了不同粒径的Silicalite-1沸石分子筛,考察了晶化温度及水硅比对沸石粒径的影响；利用传统二次生长法分别在不同孔径的α-Al203和莫来石管状载体上合成出了不同厚度的Silicalite-1沸石膜；在此基础之上,尝试采用液相氧化-低温煅烧方法脱除Silicalite-1沸石膜模板剂,探索采用双硅源合成疏水性能的Silicalite-1沸石膜；然后将合成的膜分别应用在渗透蒸发分离醇／水混合物和丙酮／水混合物体系中,得到了较好的分离效果,实验主要结论如下：一、考察了晶化温度及水硅比对Silicalite-1晶种的影响,制备了粒径为0.2μm-2μm的Silicalite-1沸石分子筛,为晶种涂覆提供了合适的晶种。采用真空涂覆晶种的方法引入晶种,晶种与载体结合紧密,得到的晶种层都修饰了载体管,起到了过渡层的作用。二、探索了液相氧化-低温煅烧脱除Silicalite-1膜模板剂方法,有效减少膜高温煅烧易产生的缺陷,降低了沸石膜的制备成本。此方法脱除模板剂所制备的膜有较好的气体渗透性能和渗透蒸发性能。在293 K,0.1 MPa压差条件下,N2的渗透速率为8.16×10-7mol·m-2.s-1·Pa-1,N2／i-C4H10理想分离系数为达到425。在333 K下,渗透蒸发分离5 wt%乙醇／水混合液,乙醇／水的分离系数αA／W达到40.3,通量J为0.831 kg·m-2·h-1。三、首次采用乙烯基三乙氧基硅烷（ETES）和正硅酸乙酯（TEOS）作为双硅源成功制备了连续的Silicalite-1膜,考察了ETES的浓度（ETES／TEOS）、晶化时间、晶化温度对膜生长的影响。结果表明：ETES提高了晶体生长速度,合成的膜具有典型的MFI结构,ETES：TEOS=（0.02-0.04）,较低的晶化温度（413 K）下晶化16h就能制备出连续、致密的Silicalite-1膜。此膜用于渗透蒸发体系,对乙醇,丁醇,丙酮等水溶液有好的分离效果。四、有机功能化Silicalite-1沸石膜的制备,采用乙烯基三乙氧基硅烷（ETES）和正硅酸乙酯（TEOS）作为双硅源合成连续的Silicalite-1沸石膜,并利用液相氧化-低温煅烧脱除Silicalite-1膜模板剂,有效减少膜高温煅烧易产生的缺陷,并保留了有机基团,提高了膜的疏水性能,将制备的膜应用于渗透蒸发体系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 无机膜概述
• 1.1.1 无机膜及其发展
• 1.1.2 无机膜的分类和结构
• 1.2 沸石分子筛膜概述
• 1.2.1 沸石分子筛膜研究进展
• 1.2.2 沸石分子筛膜的制备方法
• 1.2.3 沸石分子筛膜的表征方法
• 1.2.4 沸石分子筛膜的应用
• 1.3 Silicalite-1沸石及沸石分子筛膜
• 1.3.1 Silicalite-1沸石的骨架拓扑结构
• 1.3.2 Silicalite-1沸石分子筛膜的研究现状
• 1.4 Silicalite-1沸石膜在渗透蒸发中的应用
• 1.4.1 渗透蒸发技术简介
• 1.4.2 醇/水通过Silicalite-1分子筛膜机理
• 1.5 本论文的研究背景和设计思路
• 1.5.1 研究背景
• 1.5.2 本论文的研究思路和目标
• 2 传统水热合成法制备Silicalite-1沸石分子筛及沸石膜
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料试剂
• 2.2.2 Silicalite-1沸石分子筛的制备
• 2.2.3 Silicalite-1沸石分子筛膜的制备
• 2.2.4 Silicalite-1沸石分子筛和沸石膜的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 水硅比对晶粒大小的影响
• 2.3.2 晶化温度对晶粒大小的影响
• 2.3.3 Silicalite-1晶种的结构
• 2.3.4 载体的形貌和结构
• 2.3.5 晶种层的形貌
• 2.3.6 载体对Silicalite-1沸石膜结构和形貌的影响
• 2.4 本章小结
• 3 液相氧化-低温煅烧脱除Silicalite-1沸石膜模板剂
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料试剂
• 3.2.2 载体预处理
• 3.2.3 Silicalite-1沸石膜的合成
• 3.2.4 Silicalite-1膜模板剂脱除
• 3.2.5 Silicalite-1沸石膜的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Silicalite-1膜的结构与形貌
• 3.3.2 Silicalite-1膜的气体渗透性能测试
• 3.4 本章小结
• 4 双硅源制备Silicalite-1沸石膜
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验原料试剂
• 4.2.2 载体的预处理
• 4.2.3 Silicalite-1晶种的制备
• 4.2.4 晶种层的制备
• 4.2.5 Silicalite-1沸石膜的制备
• 4.2.6 沸石分子筛及其膜的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 Silicalite-1沸石分子筛及晶种层的结构和形貌
• 4.3.2 Silicalite-1沸石膜的结构
• 4.3.3 ETES的浓度对Silicalite-1沸石膜的影响
• 4.3.4 晶化温度对Silicalite-1沸石膜的影响
• 4.3.5 晶化时间对Silicalite-1沸石膜的影响
• 4.4 本章小结
• 5 有机功能化Silicalite-1沸石分子筛膜的制备
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂和材料
• 5.2.2 载体的预处理
• 5.2.3 晶种层的制备
• 5.2.4 Silicalite-1沸石膜的制备
• 5.2.5 模板剂的脱除
• 5.2.6 Silicalite-1沸石分子筛膜的表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 有机功能化Silicalite-1沸石膜形貌和结构
• 5.3.2 有机功能化Silicalite-1沸石膜的红外表征
• 5.3.3 有机功能化Silicalite-1沸石膜的疏水性能表征
• 5.4 本章小结
• 6 Silicalite-1沸石膜的渗透蒸发性能
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验所用试剂
• 6.2.2 渗透蒸发装置
• 6.3 实验结果与讨论
• 6.3.1 醇/水分离体系
• 6.3.2 丙酮/水分离体系
• 6.3.3 丁醇/水分离体系
• 6.4 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