NaA分子筛膜及分子筛/炭复合膜的制备与应用

摘要

渗透蒸发是用于液体混合物分离的一种新型膜分离技术，与传统的分离技术相比，渗透蒸发具有分离效率高、能耗低、操作方便等优点。目前使用的渗透蒸发膜大多数为有机高分子膜，因其具有化学和热稳定性差、容易产生浓差极化、分离因数低等致命缺点，限制了其应用范围。 沸石膜具有化学稳定性、热稳定性、机械稳定性、孔径均一和物料传输快等优点，近年来已经广泛应用在渗透蒸发操作过程中。NaA沸石膜由于具有高度亲水性，和介于水分子与大部分有机物分子之间的孔径，使其成为渗透蒸发有机溶剂脱水操作过程最理想的沸石膜，同时NaA沸石由于孔口直径小，成为分离小分子气体的理想材料。因此开展NaA沸石膜渗透蒸发脱水和NaA沸石复合膜气体分离方面的研究具有重要的意义。 本文利用热浸渍引入晶种法，在载体外表面水热合成NaA沸石膜；利用浸渍提拉法在α-Al2O3载体上制备NaA沸石/炭复合膜，研究了复合膜的气体渗透规律；然后将制备的NaA沸石膜应用在乙醇脱水操作过程中，并利用分子探针法，研究了膜法乙醇脱水的渗透特性，再将制备的NaA沸石膜应用在氯代甲烷脱水、糠醛脱水和乙二醇二甲醚脱水体系中。实验主要结论如下： (1)、利用热浸渍引入晶种法，制备NaA沸石膜，发现NaA沸石膜在亲水性α-Al2O3载体的生长速度上比在疏水性炭载体和不锈钢载体上快2倍；利用浸渍提拉方法，制备沸石/炭复合膜，NaA沸石/炭复合膜在室温下的CO2气体渗透通量为3.39×10-7mol·m-2·s-1·Pa-1，比在同样条件下合成的炭膜高出两个数量级，且CO2/N2和CO2/CH4的分离因数分别为6.02和28.4，通过气体吸附实验，发现NaA分子筛加入到炭材料中，提高了炭材料对于CO2/N2的吸附选择性，并且根据Beta沸石/炭复合膜的气体渗透规律，发现了复合膜的渗透通量与沸石填充量成正比。 (2)、将NaA沸石膜应用到乙醇脱水操作体系中，研究了进料流速、进料温度、进料乙醇含量和渗透侧压力等因素对膜法乙醇脱水性能的影响，通过优化实验条件，NaA沸石膜对于水/乙醇体系的渗透通量和分离因数分别为0.88kg·m-2·h-1和15600；并利用分子探针法研究了NaA沸石膜渗透蒸发乙醇脱水渗透规律，发现对于乙醇脱水分离因数超过10000的NaA沸石膜存在晶间孔，并确定晶间孔的尺寸在0.82nm到1.02nm之间，进而进一步证实了NaA沸石膜乙醇脱水分离机理为吸附扩散分离机理。 (3)、利用NaA分子筛膜渗透蒸发(蒸汽渗透)脱除氯代甲烷中微量水，系统地考查了进料温度、压差以及进料流量对膜法脱水性能的影响。结果表明：(a)利用吹扫气法，对于水/一氯甲烷操作体系，其分离因数高达74800，产品水含量由进料侧的2580PPm，降低到50PPm；(b)利用抽真空法，对于水/一氯甲烷操作体系，其分离因数高达32500，产品的水含量由进料侧的2580PPm，降低到36PPm；(c)对于二氯甲烷脱水体系，水/二氯甲烷分离因数和渗透通量分别为39900和0.172kg·m-2·h-1；(d)对于氯仿脱水体系，操作温度为50℃时，水/氯仿分离因数和渗透通量分别为57300和0.564kg·m-2·h-1；(e)对于四氯化碳脱水体系，操作温度为60℃，水/四氯化碳分离因数和渗透通量分别为68200和0.612kg·m-2·h-1。 (4)、利用NaA分子筛膜渗透蒸发法制备高纯糠醛和乙二醇二甲醚，系统地考查了进料流速、操作温度和进料糠醛含量对糠醛脱水性能的影响，通过优化操作条件，经过NaA分子筛膜处理后的产品糠醛含量从进料的89.6wt.％提高到99.52wt.％；对于应用渗透蒸发制备高纯乙二醇二甲醚操作过程，实验发现产品中乙二醇二甲醚含量从进料的81.5wt.％提高到99.8wt.％。

目录

文摘

英文文摘

声明

引言

1文献综述

1.1沸石及沸石膜概述

1.2沸石分子筛膜渗透蒸发(蒸汽渗透)技术介绍

1.3 NaA沸石分子筛膜概述

1.4纳米分子筛粒子填充复合膜的制备及其气体分离性能的研究

1.5 NaA分子筛膜及分子筛/炭复合膜研究面临的挑战

1.6本论文的研究内容

2微乳液法控制合成NaA沸石原粉的制备与表征

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

3热浸渍晶种法NaA沸石膜的制备与表征

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

4沸石/炭复合膜的制备与表征

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4.本章小结

5 NaA沸石膜渗透蒸发乙醇脱水渗透特性的研究

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4本章小结

6 NaA沸石膜蒸汽渗透(渗透蒸发)脱除氯代甲烷中微量水的研究

6.1引言

6.2实验部分

6.3结果与讨论

6.4本章小结

7 NaA沸石膜渗透蒸发制备高纯糠醛和乙二醇二甲醚的研究

7.1引言

7.2实验部分

7.3结果与讨论

7.4本章小结

结论

创新点摘要

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢