乙酸脱水沸石膜功能化修补及微结构优化研究

论文摘要

乙酸作为一种极为重要的化学中间体,在生产和应用过程中通常需要脱水精制。传统高浓度乙酸脱水过程采用的是高能耗、低效率的精馏工艺。近年来,沸石膜渗透气化（PV）分离作为一种高效、节能、环保技术而倍受关注,被认为是精馏工艺的潜在替代技术。然而,能用于乙酸脱水的亲水性含铝聚多晶沸石膜在制备过程中容易生成富铝膜表面和晶间间隙,严重影响膜的分离选择性和耐酸性能。本文以亲水性沸石膜材料为主体,以功能化修补和微结构优化为手段,从沸石膜生长和后处理新方法的探索出发,致力于提高其乙酸脱水性能和耐酸性能。本文的主要内容如下：（1）基于催化传递机理,提出了一种功能化修补沸石膜缺陷的方法。将含有电负性亚胺基团的聚1-乙烯基咪唑（PVI）或聚4-乙烯基吡啶（P4VP）功能基团接到MOR沸石膜的晶间间隙中,使膜层的沸石相与接枝到晶界中的有机功能基团形成了完整的PVI/MOR或P4VP/MOR杂化膜,有效地修补了沸石膜的缺陷,且对膜层沸石相起到了保护作用。所合成的膜在80℃下、进料浓度为83 wt.%的条件下,乙酸脱水的分离因数达到∞,经过室温下于83wt.%的乙酸中浸泡224 d的耐酸测试过程中的乙酸脱水分离性能仍保持稳定。（2）针对功能化修补过程相对复杂的缺点,提出了一种新颖的微结构优化合成MOR沸石膜的方法。基于对沸石膜成核和生长规律的认识,设计了两步预置品种法,在2-3 gm孔径大小的大孔载体上直接预置一层薄而平整的纳米MOR沸石组装的晶种层,克服了传统方法在大孔载体上合成沸石膜需要添加过渡层的难点。通过F-作为无机结构导向剂或矿化剂在较低的晶化温度150℃下水热合成24 h制备出3-4μm厚、Si/Al比为5.6～20.1的MOR沸石膜。该方法实现了对膜层Si/A1比在更大范围内的精细调控,且使膜层沸石相具有更均匀的Si、Al元素分布,有效地解决了常规方法容易生成富铝表面和晶间间隙等不耐酸的微结构的问题。所合成的膜在80℃下、进料浓度为83 wt.%的条件下,乙酸脱水的分离因数达到∞,经过室温下于83wt.%的乙酸中浸泡224 d的耐酸测试过程中的乙酸脱水分离性能仍保持稳定。（3）在微结构优化合成方法的基础上改进了加热方式,采用微波晶化法替代水热法在150℃下晶化4 h制备出了～2μm厚的MOR沸石膜。采用微波加热达到了抑制晶体在载体孔内生长和调控膜的厚度的目的,在保证膜的优异分离选择性的前提下提高了其渗透通量。（4）为了寻求更优异的乙酸脱水渗透汽化性能,提出了微结构优化合成超亲水性ZSM-5沸石膜的方法。采用F-作为无机结构导向剂或模板剂、在175℃下、投料Si/Al比为10、水热晶化48 h制备出了5-6μm厚的ZSM-5沸石膜,其实际Si/Al比为13.5。这种方法突破了传统方法在不使用有机模板剂的情况下只能在投料Si/Al比大于20的条件下成膜的限制,大大提高了膜的亲水性能,且有效地避免了富铝表面和晶间间隙等不耐酸微结构的生成。所合成的膜在80℃下、进料浓度为83wt.%的条件下,乙酸脱水的渗透通量达到2.637 kg m-2 h-1,分离因数达到∞,经过室温下于83 wt.%的乙酸中浸泡224 d的耐酸测试过程中的乙酸脱水分离性能仍保持稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 渗透汽化乙酸脱水及沸石膜缺陷修补与微结构优化的研究进展
• 1.1 乙酸简介
• 1.1.1 冰乙酸的用途和市场需求
• 1.1.2 乙酸的生产工艺
• 1.1.3 水/乙酸二元液相体系的物化性质
• 1.1.4 分离水/乙酸的方法
• 1.2 渗透汽化乙酸脱水分离技术的研究
• 1.2.1 渗透气化分离技术概述
• 1.2.2 渗透气化乙酸脱水研究进展
• 1.3 聚多晶沸石膜的缺陷修补和微结构优化研究
• 1.3.1 沸石膜的概述
• 1.3.2 聚多晶沸石膜缺陷的形成
• 1.3.3 缺陷对聚多晶沸石膜的影响
• 1.3.4 聚多晶沸石膜缺陷修补
• 1.3.5 聚多晶沸石膜微结构优化
• 1.4 本课题的切入点、具体设想及意义
• 2 PVI功能化修补MOR沸石膜及其渗透汽化乙酸脱水性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验所用主要材料与试剂
• 2.2.2 MOR沸石膜的制备
• 2.2.3 PVI功能化修补MOR沸石膜缺陷
• 2.2.4 MOR沸石膜及PVI/MOR杂化膜的表征
• 2.2.5 渗透汽化乙酸脱水分离实验
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 两步预置晶种法合成MOR沸石膜
• 2.3.2 MOR沸石膜及PVI/MOR杂化膜的表征
• 2.3.3 PVI/MOR杂化膜的渗透汽化性能
• 2.4 本章小结
• 3 P4VP功能化修补MOR沸石膜及其渗透汽化乙酸脱水性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验所用主要材料与试剂
• 3.2.2 MOR沸石膜的制备
• 3.2.3 P4VP功能化修补MOR沸石膜缺陷
• 3.2.4 P4VP/MOR杂化膜的表征
• 3.2.5 渗透汽化乙酸脱水分离实验
• 3.2.6 耐酸性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 P4VP/MOR杂化膜的表征
• 3.3.2 P4VP/MOR杂化膜的渗透汽化乙酸脱水性能
• 3.3.3 P4VP/MOR杂化膜的酸稳定性能
• 3.4 本章小结
• 4 微结构优化合成MOR沸石膜及其渗透汽化乙酸脱水性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验所用主要材料与试剂
• 4.2.2 微结构优化合成MOR沸石膜
• 4.2.3 MOR沸石膜的表征
• 4.2.4 渗透汽化乙酸脱水分离实验
• 4.2.5 耐酸性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 不同Si/Al比母液合成MOR沸石膜
• 4.3.2 不同晶化温度合成MOR沸石膜
• -对MOR沸石膜合成的影响'>4.3.3 F^-对MOR沸石膜合成的影响
• 4.3.4 不同铝源合成MOR沸石膜
• 4.3.5 MOR沸石膜的乙酸脱水性能
• 4.3.6 MOR沸石膜的酸稳定性能
• 4.4 本章小结
• 5 微波法合成超薄MOR沸石膜及其渗透汽化乙酸脱水性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验所用主要材料与试剂
• 5.2.2 微波法合成MOR沸石膜
• 5.2.3 MOR沸石膜的表征
• 5.2.4 渗透汽化乙酸脱水分离实验
• 5.2.5 耐酸性能测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 不同晶化时间合成MOR沸石膜
• 5.3.2 不同Si/Al比母液合成MOR沸石膜
• 5.3.3 MOR沸石膜的乙酸脱水性能
• 5.3.4 MOR沸石膜的酸稳定性能
• 5.4 本章小结
• 6 微结构优化合成超亲水性ZSM-5沸石膜及其渗透汽化乙酸脱水性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验所用主要材料与试剂
• 6.2.2 微结构优化合成亲水性ZSM-5沸石膜
• 6.2.3 ZSM-5沸石膜的表征
• 6.2.4 渗透汽化乙酸脱水分离实验
• 6.2.5 耐酸性能测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 晶种和晶种层
• 6.3.2 不同晶化时间合成ZSM-5沸石膜
• 6.3.3 F-对ZSM-5沸石膜的合成和性能的影响
• 6.3.4 不同Si/Al比母液合成ZSM-5沸石膜
• 6.3.5 不同铝源合成ZSM-5沸石膜
• 6.3.6 ZSM-5沸石膜的乙酸脱水性能
• 6.3.7 ZSM-5沸石膜的酸稳定性能
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢