SAPO-34分子筛膜的制备及其渗透汽化性质的研究

【摘要】分子筛膜是以沸石分子筛晶体为基本组成单元，通过晶体在基底材料表面上的交错生长所构成的一类无机膜材料，其兼具有分子筛的特性和无机膜的特点，如拥有规则的孔道结构，独特的催化、吸附性能，良好的热稳定性和化学稳定性，以及较强的机械强度等。因此，探索分子筛膜的制备方法及应用成为了膜科学中的研究热点。现在已被报道的合成出来的分子筛膜材料多达二十余种，按照分子筛的拓扑类型分类主要有LTA，FAU，MFI，CHA，*BEA，SOD，AFI等。然而，目前人们对分子筛的晶化以及其在基底表面的生长过程仍没有得到统一的认识。因此，如何在不同形貌和化学组成的基底表面制备出连续、致密的膜已成为分子筛膜制备研究中的首要问题。为此，人们开发出了多种合成分子筛膜的方法并不断研究合成膜的工艺及膜的新用途。已有研究表明，使用二次合成方法可以有效减小基底不同的化学组成对膜晶化过程的影响，从而得到致密连续的分子筛膜，并且所使用晶种的尺寸、形貌、组成和晶种层铺设的方式等因素间接决定了分子筛膜的最终形貌和性能。随着分子筛膜研究的不断升温，其应用领域不断扩展，已涵盖分离、催化、传感器、电子、防腐、抗菌等众多领域。其中分离方面的应用最为广泛，这是因为分子筛的孔道尺寸与常用的工业气体小分子及一些有机物的尺寸非常接近，且分子筛孔道的亲疏水性质也对分离过程具有重要的影响。目前分子筛膜在分离方面的应用主要集中在气体分离、渗透汽化和液体分离等方面。渗透汽化技术可以分离难于被传统分离技术（如蒸馏、精馏、吸附、萃取等）分离的常温下的共沸点、近沸点混合物，可用于除去有机物中的微量水分，以及用于工业废水中有机物的回收处理及再利用等领域。较之传统分离手段，渗透汽化技术具有更高的分离系数，且可使分离能耗得以显著降低，从而降低生产成本，因此在工业上具有巨大的应用前景。渗透汽化技术的应用研究起源于聚合物膜，但近年来随着分子筛膜研究的兴起，由于其相比于有机聚合物膜通常拥有更大的通量，更强的分离选择能力，更出色的热和化学稳定性质和机械强度，并且不会溶胀，因此分子筛膜可以看作是渗透汽化材料未来的发展方向。SAPO-34分子筛膜是一类具有广泛应用价值和研究前景的分子筛膜材料。SAPO-34具有CHA拓扑结构，8元环孔道，孔径尺寸为0.38nm，属于小孔沸石分子筛，其晶体结构为菱沸石型。SAPO-34因具有独特的结构类型、孔径尺寸和适中的酸性，使其在气体分离、热量存储、甲醇制烯烃催化反应等领域都具有重要的应用价值。目前，关于SAPO-34分子筛膜的应用研究多集中在其气体分离方面，对于其渗透汽化分离性质的研究还未有报道。因此，本论文主要研究了利用不同形貌的晶种及晶种层不同的铺设方法对SAPO-34分子筛膜形貌以及覆盖度的影响，成功合成了致密的SAPO-34分子筛膜，并在异丙醇/水体系中对其渗透汽化性质进行了研究。本文首先利用微波辅助合成和原位水热合成的方法，制备出了三种形貌、尺寸、组成不同的SAPO-34分子筛晶种，并对其进行了XRD、SEM、ICP、热重等表征，以供后续研究晶种形貌、尺寸、组成对合成膜的影响。本文开发出了在α-Al2O3中空纤维外表面制备连续致密的SAPO-34分子筛膜的方法，通过对比实验，研究了不同晶种层制备方法对SAPO-34分子筛膜生长的影响。并对利用不同晶种层制备方法，使用不同晶种合成的SAPO-34分子筛膜进行了渗透汽化性质的研究，从中选取分离效能最高的膜进行渗透汽化条件研究，并分别从反应分离物质，物料溶液浓度、温度，合成膜前驱溶液组成等方面进行了探讨。并且本文还对合成的SAPO-34膜进行了渗透汽化稳定性能研究，考察了其在渗透汽化测试中膜分离系数、通量随时间的变化，希望为其日后的工业应用提供一定的理论和实验基础。
【作者】李冰婧；
【导师】徐如人；于吉红；
【作者基本信息】吉林大学，无机化学，2014，硕士
【关键词】分子筛膜；SAPO-34；渗透汽化；中空纤维；二次生长；

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