高性能NaA沸石膜的制备及渗透蒸发应用研究

论文摘要

渗透蒸发作为一种新型的膜分离技术,相对于传统的分离方法而言,具有分离效率高、能耗低、操作简便、设备简单等优点,近年来得到广泛的关注。NaA沸石分子筛膜由于其强的亲水性和介于大多数有机溶剂与水分子之间小的孔径,使其成为渗透蒸发过程脱除有机溶剂中微量水最理想的沸石膜。对于乙醇/水体系,NaA沸石分子筛膜具有非常好的的分离性能,将其与精馏过程耦合用于生物质燃料乙醇的制备,具有广阔的应用前景。本论文利用SEM、XRD以及渗透蒸发等表征手段寻求在大孔载体管上制备出高性能的NaA沸石膜。首先分别采用二次修补法和两步涂晶法在长度为25 cm的载体管上制备出高性能的NaA沸石膜,并在两种制备方法的基础上对NaA沸石膜进行放大制备,通过渗透蒸发性能测试,制备的长度为80 cm的NaA沸石分子筛膜具有较好的分离效果,已达到工业化应用的要求。本论文取得的具体成果如下：（1）采用高浓度合成液配方1Al2O3：2SiO2：2Na2O：120H2O对于低浓度合成液配方1Al2O3：5SiO2：50Na2O：1000H2O合成一次存在小缺陷的膜能够给以很好的修补,对于乙醇含量为90wt.%的乙醇/水体系,在温度为70℃和真空度为200～300 Pa的条件下,其分离系数大于5000,渗透通量最高可达到1.9210 kg·m-2·h-1,而且具有很高重复性。（2）采用合成液摩尔配比1Al2O3：5SiO2：50Na2O：1000H2O,对于采用两步涂晶后的载体管进行动态水热合成一次就可以获得高性能的NaA沸石分子筛膜。通过渗透蒸发性能测试,在温度为70℃和真空度为200～300 Pa的条件下,对90wt.%水/乙醇混合物进行分离,其分离系数大于10000,渗透通量最高可以达到1.8510 kg·m-2·h-1,且具有很高的重复性。（3）在大孔a-Al2O3载体管上成功制备出长度为80 cm的NaA沸石分子筛膜,通过渗透蒸发性能测试,对于乙醇浓度为90 wt.%的乙醇/水体系,保持进料流量为200L·h-1,当料液温度升高到120℃,其渗透通量最高可达到8.6781 kg·m-2·h-1,而且分离系数大于1000,已能够满足工业化应用要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 无机膜概述
• 1.1.1 无机膜的特点及其发展
• 1.1.2 无机膜的结构及其分类
• 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 NaA沸石及沸石分子筛膜
• 1.3.1 NaA沸石分子筛骨架拓扑的结构
• 1.3.2 NaA沸石分子筛膜的研究现状
• 1.3.3 NaA沸石分子筛膜的研究所面临的挑战
• 1.4 NaA沸石分子筛膜在渗透蒸发中的应用研究
• 1.4.1 渗透蒸发技术介绍
• 1.4.2 NaA沸石分子筛膜渗透蒸发传质机理
• 1.5 本论文研究的意义和思路
• 2 采用二次修补法在大孔载体上制备高性能NaA沸石膜
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品及材料
• 2.2.2 NaA沸石分子筛的制备
• 2.2.3 NaA沸石分子筛膜的制备
• 2.2.4 NaA沸石分子筛及膜的表征
• 2.2.5 NaA沸石分子筛膜的渗透蒸发性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 晶化时间对NaA沸石分子筛的影响
• 2.3.2 NaA晶种的XRD表征
• 2.3.3 载体管和晶种层的形貌与结构
• 2.3.4 合成液配方对NaA沸石膜性能的影响
• 2.3.5 二次合成对NaA沸石膜的形貌与结构的影响
• 2.3.6 二次修补法制备NaA沸石分子筛膜的渗透蒸发性能研究
• 2.4 本章小结
• 3 两步晶种法在大孔载体上制备高性能的NaA沸石分子筛膜
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验药品及材料
• 3.2.2 载体管预处理
• 3.2.3 晶种的制备
• 3.2.4 两步晶种法制备连续的晶种层
• 3.2.5 NaA沸石分子筛膜的制备
• 3.2.6 NaA沸石分子筛膜的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 晶化时间对纳米级NaA分子筛的影响
• 3.3.2 两步晶种法制备的晶种层的形貌
• 3.3.3 两步晶种法制备NaA沸石膜的形貌与结构
• 3.3.4 两步晶种法制备NaA沸石膜的渗透蒸发性能研究
• 3.4 本章小结
• 4 NaA沸石分子筛膜的放大制备及其渗透蒸发性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验药品及材料
• 4.2.2 载体管预处理
• 4.2.3 晶种的制备
• 4.2.4 晶种层的制备
• 4.2.5 NaA沸石分子筛膜的放大制备
• 4.2.6 长管NaA沸石分子筛膜的渗透蒸发性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 进料流量对80cm长管渗透蒸发性能的影响
• 4.3.2 原料温度对80cm长管渗透蒸发性能的影响
• 4.3.3 原料中乙醇浓度对80cm长管渗透蒸发性能的影响
• 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