NaA分子篩膜的制備及其滲透蒸發(fā)性能*

鮮 建，彭 東，呂高孟，雷 騫，張小明

(1.中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所，四川成都 610041;2.西安向陽航天材料股份有限公司天華化工事業(yè)部，陜西西安 710025;3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

NaA分子篩膜由于有效孔徑小、硅鋁比低而廣泛應(yīng)用于分離有機(jī)/水混合物以及小分子氣體混合物。目前已制備出許多高品質(zhì)的NaA分子篩膜［1～3］。二次生長法是制備NaA分子篩膜的有效途徑之一。對于二次生長法，晶種的引入方法成為影響NaA分子篩膜質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。目前，晶種的引入方法最常用的有浸涂法和涂抹法。浸涂法是一種已經(jīng)得到工業(yè)應(yīng)用的制備NaA分子篩膜的方法［4］，但該法對載體表面要求較高，目前的載體制備水平限制了其發(fā)展。

涂抹法能很好的將晶種涂覆到載體的凹槽和空隙內(nèi)，但其載體晶種層的均一性不是很好，因此得到的NaA分子篩膜的分離重復(fù)性受到了一定的影響［5］。除浸涂法和涂抹法外，還有一些其它晶種引入法，如離心力法［6］、真空抽吸涂層［7］和電泳法［8］等。但這些方法由于操作復(fù)雜、成本較高等均未得到廣泛應(yīng)用。

本文采用噴涂法在多孔α-Al2O3載體上制備了NaA分子篩膜(M)，其結(jié)構(gòu)和形貌經(jīng)SEM和XRD表征。對M的滲透蒸發(fā)性能進(jìn)行了研究。

該方法制備的M選擇性好，滲透通量高，是一種可應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用的合成M的方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

FEI Inspect F型掃描電子顯微鏡(SEM);Philips X’PERT型 X-衍射儀(XRD);7900型氣相色譜儀。

NaA分子篩，南開大學(xué);α-Al2O3多孔載體管(平均孔徑1.5 um，孔隙率38%，外徑13 mm，內(nèi)徑8 mm);鋁酸鈉溶液(41%Al2O3，30%Na2O，29%H2O);水玻璃(26.7%SiO2，8.2%Na2O，65%H2O);氫氧化鈉，分析純;水為去離子水。

1.2 M 的制備［9］

將α-Al2O3多孔載體管水平固定在轉(zhuǎn)動棒上，并以一定速率轉(zhuǎn)動，用噴槍將不同濃度的NaA分子篩晶種［c(NaA)/wt%，簡稱c］噴涂到載體管上，控制不同噴涂時間(t/s)。將噴有晶種的載體管在373 K下干燥2 h制得涂有晶種的載體管。

在反應(yīng)瓶中加入水玻璃150.0 g，鋁酸鈉溶液135.9 g，氫氧化鈉 0.63 g 和去離子水 548.8 g，于室溫充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆蛑频梅肿雍Y前體溶膠［A，其中n(SiO2)∶n(Al2O3)∶n(Na2O)∶n(H2O)=2 ∶1 ∶2 ∶1］。室溫下將 Ftc垂直固定在一個自制的合成反應(yīng)器中，將A在原料儲罐中加熱到373 K后，用漿液泵使A進(jìn)入合成反應(yīng)器，于373 K反應(yīng)4 h。用去離子水充分洗滌分子篩膜管至中性，于室溫干燥得透明膜Mtc(表1)。

表1 M的制備條件Table 1 Preparation conditions of M

1.3 M的滲透汽化性能測定

M的滲透汽化性能用工業(yè)裝置測定［9］。滲透的氣體混合物通過液氮冷凝收集到冷阱中，通過稱量冷阱前后重量計算膜的滲透通量(J/kg·m-2·h-1)。由氣相色譜測定分離前后乙醇濃度計算膜的分離因子(α)。原料液為90 wt%乙醇水溶液，膜的分離因子和滲透通量在348 K測定，結(jié)果見表2。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴涂時間對M分離性能的影響

圖 1 的 XRD 譜圖Figure 1 XRD patterns of

表2 的滲透通量和分離因子Table 2 Permeation flux and separation factor of

表2 的滲透通量和分離因子Table 2 Permeation flux and separation factor of

Mt 1.0 M101.0 M201.0 M301.0 M501.0 J/kg·m-2·h-1- 2.85 2.26 1.49 α- 764 1 574 ＞10 000 M30 c M300.5 M301.0 M303.0 M305.0 J/kg·m-2·h-12.41 2.64 2.35 2.12 α 1 328 ＞10 000 2 647 ＞10 000

圖 2 的 SEM 照片(×5 000)Figure 2 SEM images of

圖3 的SEM照片(×5 000)Figure 3 SEM images of

圖4 的XRD譜圖Figure 4 XRD patterns of

從圖2可以看出，當(dāng)t為30 s，c(NaA)為1.0 wt%時所得的膜()表面較平整而且致密，而綜合考慮工業(yè)應(yīng)用的實際情況，t為30 s時所制備的效果比較好。

2.2 c(NaA)對M分離性能的影響

綜合考慮膜的分離選擇性，滲透通量以及制備重復(fù)性，選擇c(NaA)以1.0 wt%為宜，t以30 s為佳。

3 結(jié)論

采用噴涂法引入晶種可以制得高分離性能的M。噴涂時間和晶種濃度是影響膜性能的兩個重要因素。當(dāng)噴涂時間為30 s，晶種濃度為1.0 wt%時所得的分子篩膜在348 K時對90%乙醇的滲透通量達(dá) 2.64 kg·m-2·h-1，分離因子＞10 000。

噴涂法相較于其他方法是一種更簡單的、更易應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的晶種引入方法，而且該法所制備的M相比于目前實驗室采用的涂抹法引入晶種所得的膜具有更高的滲透通量，分離選擇性也能達(dá)到工業(yè)應(yīng)用要求，因此噴涂法是一種有很大應(yīng)用前景合成NaA分子篩膜的晶種引入方法。

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