大连理工大学本科毕业设计论文

大连理工大学本科毕业设

计论文

Newly compiled on November 23, 2020

大连理工大学本科毕业设计（论文）亲水性丝光沸石膜的制备及其渗透汽化

性能的研究

Preparation and dehydration performance of hydrophilic mordenite zeolite membranes

学院（系）：化工与环境生命学部

专业：能源化学工程

学生姓名：张志坚

学号：

指导教师：杨建华

评阅教师：

完成日期：

大连理工大学

Dalian University of Technology

摘要

在化学工业中，脱水操作是非常重要和主要的操作过程。膜分离技术是一种新型的分离技术，由于具有其低能耗、设备要求简单、选择透过性好等优点，近年来得到了广泛的关注。丝光沸石分子筛膜MOR具有优良的耐热性、耐酸性及良好的亲水性，能够应用于在苛刻环境下渗透汽化以分离有机物/水溶液，所以具有广阔的应用前景。

本文采用热浸渍涂层法，在α-Al2O3陶瓷载体管上引入了晶种，通过二次水热合成法制备出了不同Si/Al比（摩尔比）的丝光沸石膜。采用的合成液配比为：10Na2O: : 36SiO2:960H2O，实验采用的变量是不同Al源加入量、不同F-离子加入量，考察其对丝光沸石分子筛膜的影响，通过不断重复尝试优化了合成丝光沸石分子筛膜的合成条件，成功地合成出了表面致密、重复性良好、耐酸性好及分离性能优异的丝光沸石分子筛膜。

最后通过实验考察了合成的丝光沸石膜在渗透汽化中的应用。采用原料为90wt.%异丙醇/水（t =75℃）及50 wt.%乙酸/水（t =75 ℃），结果表明：所合成的丝光沸石膜具有较好的分离性能和稳定性，具有工业应用前景。

关键词：膜分离；丝光沸石分子筛；渗透汽化；乙酸脱水

Preparation and dehydration performance of hydrophilic

mordenite zeolite membranes

Abstract

Dehydration is the most important and prevailing separating process in the chemical industry. Due to benefits of efficient use of energy and equipment, maneuverability, and excellent permeability etc, membrane separation is widely investigated in recent years. Mordenite membrane has orthogonal pore structures. There is a wide potential application of mordenite membrane in the dehydration of organic acid and membrane catalytic reaction due to its high thermal stability and excellent acidic resistibility. Mordenite membrane has become a research hotspot in recent years.

The objective of this work is to synthesis mordenite membranes with different Si/Al rations on a seeded α-Al2O3 tube by in situ hydrothermal synthesis. The molar composition of synthesis mixture is 10Na2O: :36SiO2:960H2O, and I have done a lot of comparative test under this ratio. The effect of crystallization time, crystalization temperature,and different

Si/Al on synthesis of mordenite membrane is studied. We has successfully synthesis the fine membrane which is thin and compact, reduplicate, acidic and possesses good separation property.

At last, the synthesized mordenite membrane is applied in the dehydration of

90wt.%IPA/water (t =75℃）and 50 wt.% acetic/water（t =75 ℃） by pervaporation, which exhibits excellent separation properties and high acidic stability, prove that the mordenite membrane has potential application in industry.

Key Words：Membrane separation; Mordenite membranes; Pervaporation; Dehydration of (AAc)

目录

1 文献综述

前言

近年来，全球变暖等环境问题日益突出，使得全球各国在工业发展中设法减少能量消耗，其中一方面是出于降低成本的考虑，另一方面也是为了减少排放二氧化碳，以缓解其导致的全球变暖等温室效应。以日本为例，化学工业消耗了整个工业界中15%能量，而其中40%是由精馏等分离操作所消耗的[1]。膜分离技术[2]是一种全新的分离技术，因为其具有操作方便、效率高、无相变、耗能小、操作费用低等优点，已经

成功应用在食品、化工、医药等各个领域，成为重要的分离技术，其应用对节能减排，减缓温室效应具有重要的意义，因此有望能够替代常规的能源密集型的分离过程。

在化工生产过程中，将混合物溶液中的水分离是非常主要的分离过程。传统的蒸馏、精馏操作是典型的高耗能过程，因此可尝试将膜分离技术应用于共沸物系统的脱水。许多研究都报道了关于利用高分子聚合物膜分离水溶液的应用[3-7]，然而由于其没有足够的耐热性、机械性能和化学稳定性，其应用环境常被限制在温度100℃以下。而对于特定的工业分离操作，常要求膜组件在高温、高压条件下进行操作，所以在化学工业中应用的膜材料应要求其具有较强的耐热性和机械强度等特点。

沸石膜已有20余年的研究和发展历史，尤其是NaA型分子筛已经被商业化使用[8-14]，它已被证实可在工业中以渗透蒸发-精馏混合系统的形式取代传统的共沸蒸馏的方法[15]，传统的精馏塔和膜单元是组合应用在含水乙醇纯化的混合系统中的。

沸石膜（Zeolite membranes）的概述

沸石膜的简介及研究近况

沸石膜是各种水合硅铝酸盐晶体的统称，其具有尺寸为~，并且比较规则的孔道结构，正是因其特别的结构，可以将不同大小的分子进行分离。1976年，首先由瑞典矿物学家A. F. Cronstedt在自然界发现了天然沸石，截止2006年，已经被确认结构的沸石分子筛共有167种之多。沸石分子筛是由基本结构单元及次级结构单元构成的，其中以TO4四面体作为沸石分子筛的基本结构单元，T是四面体的中心元素，比较常见的有Si和Al，也可以使用Ga、P等替换。在这些四面体结构中，中心T原子通过SP3杂化轨道与它周边的氧原子进行成键。TO4基本结构单元通过氧桥相互连接，从而组成各种各样的多元环，组成了各种各样的次级结构单元。各种不同的次级结构单元进一步进行不同的排列组合，最终形成了不同类型的沸石分子筛的骨架结构。一般情况下，沸石分子筛按照内部孔径的不同大小可以被分为以下四种类型：超大孔、大孔、中孔和微孔分子筛。正是分子筛晶体内部这些不同的孔，组成了一维结构、二维交叉结构以及三维网状结构，分子筛膜独特的物理及化学性质就是由这些特别的结构决定的。例如：分子筛具有较强的物化稳定性，具有亲水性或憎水性、耐酸性能和在催化领域表现出的优异性能等。

目前沸石分子筛膜主要应用于化工分离操作中。此外，沸石膜在化学传感器、电化学防腐、以及太空材料等领域也具有一定的潜在价值。除了一般膜所具有的优点以外，沸石膜作为多孔沸石膜材料的还具有一些沸石分子筛自身的特性，例如，沸石分子筛的孔径大小一般为纳米级，比较均一的小于的孔径，从而可以有效利用沸石分子筛的选择吸附性能和择形扩散性，分离不同尺寸、性质的分子。与此同时，沸石分子筛的孔道内阳离子可以被其他元素所取代，通过化学气象沉积法可以对其外表面有选择性的进行修饰，从而可以有选择性的调控其孔径的大小，以改善其催化和吸附性能，使其能够在工业应用中实现对产物分离的精确控制。同时，沸石分子筛内不同的Si/Al摩尔比值，决定了分子筛的亲/憎水性以及耐酸性能的差异。一般情况下，沸石分子筛的Si/Al比值越小则其亲水性越强，但是其耐酸性能随之降低；与此相反，Si/Al

比值越大，分子筛的疏水性就越强，并且也会增强其耐酸性能。因此，在实际应用中可根据需求的不同选择不同的沸石分子筛或调整Si/Al比。

沸石膜的种类

一般情况下，有以下三种较常见种类的沸石膜，即：填充沸石膜、无载体沸石膜、有载体沸石膜。

填充沸石膜是将SiO2等非渗透性的材料引入沸石分子筛中。早在1973年，Paul等[16]就曾报道成功制出了A型填充沸石分子筛的硅橡胶膜，同时发现，在填充沸石分子筛后，该膜的气体渗透速率降低，但对氮气、氢气的吸附能力增强。90年代初，Duval[17]及Jia等[18]研究了关于不同类型的沸石分子筛以及有机膜材料对沸石分子筛填充膜性能的影响。到目前为止，由于制备方法的局限性以及出于对渗透率性能的考量，填充沸石膜的研究及报道较少。

无载体沸石膜主要有两种：第一种膜片是由晶体本身所构成的膜，第二种是大的分子筛单晶渗透膜。1983年，Hayhurst[19]和Wernick[20]等分别制备了无载体的沸石膜，并进行实验，考察了Silicalite-1沸石分子筛晶体和大的NaX型沸石分子筛的气体扩散系数和分离性能。1991年，Haag[21]等制备了无载体的ZSM-5型沸石沸石膜，并将其应用于气体混合物的分离，体现出了一定的分离性能，这是最早报道沸石膜筛分性能的文章。然后，由于这种膜机械强度较低，并没有实际应用的价值，所以目前仅限于研究阶段。

有载体的沸石膜是目前研究及应用最为广泛的一种沸石膜，它实际上是聚多晶沸石膜。在1987年Suzuki等在多孔载体上制得厚度为1μm的超薄沸石膜，在此之后有关载体沸石膜的制备与研究在世界范围内逐渐展开。日本的Ishikawa A等在1989年首次利用有载体沸石膜进行分离的研究，从而使沸石分子筛成为真正意义的“筛子”。目前制备和研究的有载体沸石膜主要为LTA型（NaA）、T型、FAU型（NaY，NaX）、MFI型（Silicalite-1，ZSM-5）、MOR型（Mordenite）等等。本论文所制备和研究的丝光沸石膜为有载体沸石膜。

丝光沸石(mordenite或MOR沸石)是人类认识最早的沸石之一[22]，分为天然沸石和人工合成沸石两大类。1864年，How等[23]首次命名了天然MOR沸石。1948年，

Barrer[24]等采用碳酸钠作为矿化剂，以硅酸凝胶和铝酸钠的水溶液混合后作为原料，在265~295℃下模拟了天然火山喷发环境，这是首次人工合成出了MOR沸石。MOR沸石具有优良的性能及其他特点，比如耐热、耐酸，抗水汽性能较强，可作为石油工业的催化剂或作为气体/液体混合物分离的吸附剂材料在工业生产中大量使用。按照通用水热合成技术，无模板剂合成的MOR沸石的Si/Al比均在~6的狭窄范围内，这与天然丝光沸石保持了一致，这一比例范围的产生可以通过铝原子在沸石膜中的四元环结构中具有优先位置来解释。铝原子必须同时在四元环中占有两个位置，也就是说在一个晶胞中，有八个铝原子。并且，通过分子轨道的计算，目前己经能够从能量角度证实铝的确优先的存在四元环中，并且，处在四元环对角位置的铝原子要比在同一环中孤立的铝原子能量稳定。

除此之外，丝光沸石沸石膜的合成也可以采用晶种、有机或无机模板剂等方法，其Si/Al比最高可达60以上，这极大的拓展了丝光沸石膜的应用范围。MOR沸石膜随Si/Al比的增加，亲水性减弱，但是随Si/Al比的增加，丝光沸石膜的耐酸性和水热稳

定性会增加。正是由于丝光沸石膜的这些特性，决定了丝光沸石膜具有良好的亲水性和耐酸性，从而可以在分离水/乙酸等混合物分离中表现出较高的选择性，近年来它的研究正受到越来越多的关注。

沸石膜的合成方法

聚多晶沸石膜的合成过程主要是由沸石晶体的相互交联、孪生，从而在多孔载体表面上形成了较为致密的沸石膜层。近年来，由于科学技术的发展，制备沸石膜的方法取得了较为长足的进步。目前文献报道中，主要有原位水热合成法、二次生长法、微波合成法、溅射法、汽相合成法和嵌入法等合成方法，以下简单介绍三种方法。

（1）原位水热合成法

至今为止，原位水热合成法是报道最多的一种合成方法[25]，并且在合成中最为常用。这种方法的主要合成过程是：将清洗干净、经过处理的载体直接放入晶化釜中，然后倒入合成母液，在一定温度下，反应釜内自身产生了压力，使晶体在载体表面进行生长，从而成膜。采用这种方法制备沸石膜虽然操作简单方便，但存在一些问题。首先，这种方法不能够较好地控制晶粒取向、粒径、膜层厚度等条件，通常还会生成孤立颗粒，不利于膜性能的提高。另一方面，直接合成法合成过程中需要进行多次水热，这样才能使晶粒形成连续的膜，但制备出的膜因为膜层较厚，在焙烧过程中很容易产生裂纹，导致膜失效。此外，使用这种方法合成沸石膜对载体表面性质要求较高，同时不同合成条件对成膜质量影响很大，这样苛刻的要求一定程度上增大了沸石膜的制备难度。

(2) 二次生长法

二次生长法也是一种新型的合成沸石膜的方法，它的主要过程是将沸石分子筛预先沉积在载体上，使之与载体进行较为紧密的结合，然后再把载体放入合成液中，进行生长合成沸石膜[26-29]。二次生长法主要分为以下两个步骤：第一步是将沸石分子筛(晶种)层引入载体表面，要求晶种层薄而均匀，并且晶种与载体孔大小匹配，一般要求其尺寸大小越小越好，但是又不能够渗入载体孔内部，以免堵塞孔道；第二步，把涂有晶种层的载体放入合成母液中，进行水热生长从而成膜。该方法具有以下显着优点：广泛适合于各种载体；引入晶种层有助于均匀成核，同时加快膜层的生长，能够更好地控制所形成沸石膜的微观结构(如定向生长、表面无缺陷等)。由于晶种的存在，沸石膜生长受合成液和合成条件影响相对原位水热合成较小，从而可以减少或防止杂晶的出现和生成，拓展了合成的操作空间。目前许多报道中的高性能沸石膜大多是对二次生长发法进行不同程度上的改进后合成的。

(3) 微波合成法

应用微波技术合成沸石膜是近年来发现的一种全新方法，CaroJ等人曾报道应用此法成功合成出了粒径为10～50μm 的AlPO4-5沸石[30～32]。

微波场对水分子等极性分子有着迅速而剧烈的加热效应，对很多无机/有机反应会大大加快其反应速率。采用该法合成沸石分子筛，能够得到纯度高、大小均一的沸石晶体，并且可以调控不同Si/AI比。同时，相比于传统的水热合成法采用微波也具有特定的优点：微波加热能极大的缩短晶化时间，在一定程度上节约了能源消耗；合成出沸石膜层晶粒大小均一，有利于进一步控制沸石膜的微观结构，能减少和避免杂晶的生成，且合成条件要求较低。因此微波法是合成沸石膜的一种极为高效手段。

与水热合成相比，利用微波技术合成沸石膜，可以合成出较小的纳米晶粒，缩短反应时间，在较宽的合成范围内合成薄而连续的定向膜。但微波法对实验设备的抗压能力要求较高，特别是控制微波功率的能力，不同的微波设备，其合成条件差异很大，有可能造成合成体系的凝胶现象，导致最终得不到目标产品。

沸石膜的表征方法

膜的表征是考察所制备出膜的质量的重要步骤。表征方法主要有结构表征和性能表征两种，目前应用较为广泛的结构表征方法为扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、微分析电子探针（EPMA）等，而性能表征主要有气体渗透测试和渗透汽化测试 N2吸附等等。

（1）扫描电子显微镜（SEM）

扫描电子显微镜SEM主要是用来观察沸石膜的表面与截面的微观结构。从沸石膜的SEM表面信息中，可以观察膜的连续性、晶体的形貌以及及晶粒尺寸等信息。从沸石膜的SEM截面信息可以得到膜的厚度以及观察出膜与载体之间的结合程度等。同时，还可以对膜表面、截面进行EDX元素分析，从而能够确定所合成的膜中含有元素种类以及其所占的比例多少，并且可以粗略判断各元素在膜中的分布大致情况。

（2）X射线衍射（XRD）

利用XRD可以确定晶体的晶格结构。XRD是在判断沸石晶体类型中极为重要和主要的工具。通过对于得到的XRD分析谱图进行解析，根据特征峰的出峰位置及其强度可以对沸石的类型及结晶度进行判断。同时，可通过特征峰的位置和强弱来判断沸石膜晶粒的取向性，从而解释不同结构的膜具有的不同性能。

（3）气体渗透测试

上述两种结构表征方法只能定性、局部的说明沸石膜的结构类型以及生长状况，而气体渗透测试实验可以对沸石膜的质量进行定量或整体表征评价。针对不同类型的沸石膜，选用不同的动力学直径的气体来进行渗透测试，通过由单组分气体渗透率的比值计算出的理想分离系数或者多组分气体渗透的选择因数，从而能够确定膜在分离中的选择能力及其所含缺陷的数量，进而完整的评价所合成沸石膜的质量好坏。

理想分离系数的计算公式为：

αij = f i /f j

式中：f i为i组分通过膜的渗透速率，mol/(m2Pas)；

f j为j组分通过膜的渗透速率，mol/(m2Pas)；

对于多组分气体的分离因数的计算公式为：

αij = i y j s / i s j y

式中：i s、i y分别代表i组分在渗透侧和原料侧的摩尔浓度；

j s、j y分别代表j组分在渗透侧和原料侧的摩尔浓度。

(4) 其它的表征方法

电子探针微量分析(EPMA)也是一种测量沸石组成的表征方法，它不仅能够定性的分析膜中的元素组成，而且可以半定量地分析出膜样品中所含各种元素的原子数之比。此外，氮气N2吸附也是一种非常常用的分析手段，主要是用于检测BET表面积、孔径分布情况、微孔和介孔的容积以及等温吸附线等。

渗透汽化技术

渗透汽化分离技术概述

渗透汽化技术是近年来受广泛关注的一种新型膜分离技术，由于其具有效率高、能耗低、过程简单、设备易于放大等优点，已经被广泛应用于高浓度有机物脱水、水中去除有机物和有机混合物的分离等化工单元操作过程。由于在分离操作过程中物料不受气液相平衡的限制，渗透汽化操作对传统的分离方法比较难分离的近沸体系、恒沸体系以及热敏体系的分离具有较强的实用性[36]。此外，从经济和技术方面考察渗透汽化技术，对于脱除有机物中微量水、分离废水中少量有机污染物，以及有机物/水的混合溶液中价值较高的稀有组分回收等具有明显的优势[37]。不仅如此，渗透汽化技术还可以同时与化学[38]或生化反应进行耦合[39]，可以随着反应的进行不断地将产物分离出体系，从而有利于极大的提高反应转化率。

图为渗透汽化的示意图，将一定厚度和致密性的分离膜放入原料液中，膜的“上游”为原料液一侧，一般为常压，而膜的“下游”为渗透侧，一般采用抽真空的方法保持一定的低压，从而在膜的上游与下游之间形成了压差。在膜两侧压力差的作用下，原料液中的组分以分子形式扩散透过分离膜，并在膜的下游低压条件下汽化为蒸汽[40]。由于原料液中的不同组分具有不同的的化学、物理特性，在透过分离膜的过程中存在溶解度以及扩散速率的大小差异，因此各组分物质透过分离膜的速率不同，从而使得较易渗透组分不断从原料液中分离出来，而难渗透组分在原料侧的浓度不断增大，这个过程就实现了分离的目的。

图渗透汽化示意图

渗透汽化分离参数

本文以渗透通量J和分离系数α这两个参数来评价分离膜在渗透汽化试验中表现出分离性能的好坏。渗透通量J指的是一定压力下原料液中各个组分在单位时间、单位面积内通过分离膜的质量，单位为kg/m2·h。通过对渗透通量J的计算，可以估算为了完成一定的分离效果所需要的分离膜的面积。

分离系数α则体现了膜在分离过程中对某组分选择性的高低。

定义分离系数α的公式为：

α=（Y A/Y B）/ (X A/X B)

式中：Y A、Y B代表A、B组分在渗透侧中的质量分数；

X A、X B代表A、B组分在原料液中的质量分数；

如果两种组分的渗透能力相同则α等于1；如果组分A比组分B易透过分离膜，则α大于1，α越大则表示组分A 的渗透能力相对于组分B 越大。如果α趋近于无穷则表示组分B基本不透过沸石膜。很明显，α越大说明各组分分离的越完全。

渗透汽化技术工业前景展望

为了能够实现大规模工业应用，应用渗透蒸发-精馏混合系统进行有机物/水溶液的脱水过程有望在一定程度上节约能量，图是该系统的示意图。文献报道过一种情况[41]，即先进行精馏，再进行膜分离过程，最终将含水量较高的进料混合物（含水质量分数55%）提纯到含水1%（质量分数），这种组合配置对于渗透蒸发-精馏混合系统来说，精馏后出来的原料液较高的水蒸汽压力使得渗透通量穿过膜的推动力增强，这进一步利用了膜分离的节能优势。为了实现这个脱水过程，需要开发出一种合适的膜材料，能够应用在较高含水量、超过100℃的较高温度、且PH<3的强酸环境下。

图膜-精馏混合分离系统

a）蒸馏-渗透汽化混合系统为乙醇脱水

b）蒸馏-渗透汽化混合系统为乙酸脱水

丝光沸石分子筛膜由于其耐酸性的特点可应用在乙酸脱水过程中，许多关于丝光沸石膜制备方法和渗透性能的研究已经报道。特别是Matsukata以及他的同事们的课题组对于高度水选择性的丝光沸石进行的研究[42~45]，这些丝光沸石膜比之前报道的具有更高的渗透通量，这表明该合成方法应进一步研究以求能达到耐酸膜的实际应用的目的。

以工业应用为目的的沸石膜应具有较好的性能和较高的重复性，有文章指出可用二次生长法制备高性能的沸石膜，并且已有研究证实这种方法的优点，即以晶种生长方法按比例放大的NaA型沸石和八面沸石在工业生产中具有较好的表现。除了二次生长法以外，使用具有较大平均孔径（μm）的膜载体够保证较大的渗透通量，这是工业生产沸石膜的一个显着特征。晶种生长法和利用较大平均孔径的膜载体这两种方法都在本问中应用以合成丝光沸石分子筛。

本文研究思路及主要内容

鉴于工业上对有机物脱水的巨大需求，而传统的分离方法能耗大且分离效率低，不能满足当今世界倡导的节能、低碳、环保产业的要求。因此渗透汽化分离技术受到人们越来越多的关注。目前有机高分子膜是应用最为成熟的渗透汽化分离膜，但是这

种膜存在不能单独在强酸等苛刻的条件下使用等缺点，从而在渗透汽化分离有机物/水混合物领域的应用受到了限制。因此，无机膜材料在渗透汽化分离中拥有了很好的应用前景。能够应用于有机物脱水的沸石膜很多，但是应用于乙酸脱水的沸石膜一般指的是Si/Al比较低、既有亲水性又有耐酸性的沸石膜，一般的沸石膜不具备这种特性，MOR沸石膜发达的孔道和可调的硅铝比，使其在乙酸/水分离中具有很大的潜力。

膜的形成过程是由晶体在沸石载体上生长而成的，晶体生长是结晶和合成时间的必然结果，而试验中采用的晶化合成母液是决定所合成膜的特性的一个重要因素。因此，这要求我们必须考察选择性渗透、晶胞参数、形貌和微孔结构根据合成母液配比的函数变化。根据一系列不同配比所合成的膜将不仅有利于优化合成条件，也将提供有关膜的形成机理的一些信息。

本文的主要内容以及思路如下：

（1）使用涂层浸渍法并且优化合成条件，采用二次合成法水热合成丝光沸石膜；

（2）改变实验条件，考察不同合成母液配方条件下制备丝光沸石分子筛膜的晶体结构以及渗透汽化分离性能；

（3）将F-离子引入反应体系中，考察不同含量的F-离子对丝光沸石膜结构、性能的产生影响；

（4）进行渗透蒸发性能测试：对不同条件下制备出的丝光沸石分子筛膜进行溶液的渗透汽化实验来确定膜的性能。

2 实验部分

二次合成法合成丝光沸石膜

主要材料与试剂

（1）材料与试剂

药品如表所示：

表实验药品

药品化学式分子量等级生产厂家

氢氧化钠 NaOH 40 分析纯天津科密欧化学试剂有限公司

氟化钠 NaF 42 分析纯天津科密欧化学试剂有限公司

铝酸钠NaAlO2化学纯天津科密欧化学试剂有限公司

硅溶胶 SiO2工业品青岛海洋化工厂

去离子水 H2O 18 -大连理工大学化工学院

合成釜如表所示：

表合成用釜及尺寸

合成釜容积(ml) 尺寸(mm)

不锈钢釜（不带聚四氟内衬） 90 φ28×140

常用的多孔载体材料是多孔α-Al2O3陶瓷管、莫来石管、SiO2管、碳管和不锈钢管，本文采用多孔α-Al2O3陶瓷管作为膜载体，，孔隙率为30%~40%，孔径为2~3μm。可根据需要切割成所需长度，本实验为60mm。

载体管的SEM照片如图所示

图载体管的表面与截面的SEM图

a1）载体表面图；a2）载体截面图

丝光沸石分子筛膜的合成[46~47]

（1）载体管的预处理

在合成分子筛膜前，需要先处理载体管（α-Al2O3陶瓷管）并且在外表面上先预涂晶种。同时，为了使丝光沸石分子筛膜只在载体外表面生长，需采用聚四氟乙烯生料带将陶瓷载体管两端封闭。

为了保证载体管表面均匀、光滑，需在实验前对载体管进行预处理，分别用800目和1500目的砂纸打磨载体管，然后把整根管置入清水中，利用超声进行震荡2h左右，用来洗去粘附在载体管上的砂粒和杂质。然后再分别用1mol/L的HCl溶液和1mol/L的NaOH溶液中同样超声震荡2h，最后用去离子水将处理过的载体管洗涤至中性。干燥后放于马弗炉中550 ℃下煅烧6 h，升降温速率为1 ℃/ min，然后放入干燥器中供预涂晶种使用。

（2）晶种层的制备

首先配制晶种液：把粉末状的丝光沸石大分子筛加入到去离子水中，经搅拌、超声震荡后，配制成为3wt.%大晶种液；同样，将丝光沸石小分子筛加入到去离子水中，配置成3wt.%的小晶种液。

涂晶步骤：

第一步，涂大晶种。用聚四氟乙烯密封塞将α-Al2O3载体管的两端塞紧，以保证晶种层只在载体管外表面生长，然后将密封好载体管放置在175 ℃的电热干燥烘箱中加热。在等待过程中需处理晶种液，将大晶种液搅拌30min，再经超声震荡30min，重复三次以保证晶种液已经充分分散，然后倒入到长试管中。3h后取出已经密封好的载体管，迅速将载体管垂直置入长试管中的大晶种溶液中，保持20 s后缓慢、垂直的取出，去掉两端的聚四氟乙烯塞后，清理载体管内的水。接下来把涂晶完成的载体管放入到50℃烘箱中干燥3h，干燥后用脱脂棉轻轻将表层过厚的大晶种层擦掉，然后继续转移至175℃烘箱进行固化，固化时间为24 h；

第二步，涂小晶种。主要步骤与第一步类似，把之前处理好的已经预涂大晶种的载体管用聚四氟乙烯塞塞紧，同样垂直放入到已经超声和搅过的小晶种液中，保持20 s后取出，然后去掉聚四氟乙烯塞，并放到50℃烘箱中干燥3h， 24 h后转移至175℃烘箱固化；

第三步，进行固化。把处理好的晶种管放入马弗炉中进行固化，升温、降温速率均为1℃/min，并在550℃高温下焙烧，恒温保持6h，结束后冷却至室温，最后将涂好晶种的载体管放入到干燥容器内备用。

图为MOR丝光沸石分子筛的SEM图。

图 MOR丝光沸石分子筛SEM图

b1）为大分子筛的晶粒；b2）为小分子筛的晶粒

（3）合成母液的制备

本实验中采用了二次水热合成法来进行丝光沸石分子筛膜的合成，将摩尔组成为

10Na

2O::36SiO

2

:960H

2

O的混合物溶液作为丝光沸石膜的合成母液。

溶液配制过程主要如下：

称取一定量的氢氧化钠颗粒，加入适量去离子水（大约总量的三分之一）进行溶解，将反应烧杯置入恒温水浴锅以保证恒温环境，并且采用磁力搅拌器进行搅拌。然后另外称取相应量的硅溶胶，用一次性滴管在搅拌下缓慢滴入反应烧杯中。全部滴加完成后，经水浴加热搅拌陈化一定时间。再取相应质量的铝源（铝酸钠颗粒），再用大约总量的三分之一去离子水完全溶解后继续加入上述溶液中，最后加入剩下的去离子水，继续搅拌陈化一定时间，最终得到晶化母液。

（4）丝光沸石膜的合成

将已经预涂晶种的载体陶瓷管的两端用聚四氟乙烯密封塞封住，垂直放置于不锈钢反应釜中，将（3）中合成的晶化母液倒入反应釜中直至液面高度超过陶瓷管高度。将不锈钢反应釜盖子拧紧后，置于一定温度的恒温烘箱中进行晶化，使分子筛晶体在载体管的外表面晶化生长成膜。晶化结束后，取出反应釜，迅速用自来水冲洗，使其急速冷却，然后小心取出已经成膜的载体管，用去离子水将膜管洗涤至中性，然后干燥备用。

丝光沸石分子筛膜的结构表征

（1）扫描电子显微镜(SEM)

扫描电子显微镜，即Scanning electron microscope（SEM）。本文使用中科科创有限公司生产的KYKY-2800B型扫描电镜进行分析，样品表面喷涂金箔。扫描电镜主要用于研究具有多孔结构的材料，通过电镜照片可以清楚了解材料内部的微观形态结构。研究晶体的表面形貌的细微结构时，不仅能观察到物体表面局部的细微结构的状况，还能够在仪器轴向较大尺寸范围内观察出各局部区域间的相互几何关系。在载体上负载的丝光沸石分子筛膜的表面形貌和剖面形貌就可以通过扫描电子显微镜来观察，本实验主要通过扫描电镜了解丝光沸石分子筛膜表面的完整性、晶体交联状况、晶粒大小等形貌特征。

（2） X射线衍射(XRD)

XRD测试采用日本理学D/max-2400型X-射线粉末衍射仪, 衍射仪器工作参数为：Cu靶Kα1，管电压为40 kV，管流为100 mA，扫描范围：2θ=4~50°，扫描速度为

5°/min，步长为°, 扫描方式为连续扫描。在样品的晶体类型和结晶度进行表征中，沸石的结晶度用相对结晶度来表示。即选定以结晶度最高的样品定其结晶度为100%，其余样品则与之相比较得到相对结晶度。

渗透汽化性能测试

实验试剂与仪器

乙酸：分析纯，沈阳新兴试剂厂；

异丙醇：分析纯，沈阳市联邦试剂厂；

真空泵：功率，真空度6×10-2Pa，抽气速率2L/s，转速1400r/min；

温度控制仪：DZ247，230/400v~6000A；

搅拌器：DCG-C型多功能搅拌器，巩义市予华仪器厂；

实验装置与流程

图渗透汽化装置流程示意图

a）磁力搅拌器； b) 恒温水浴；c) MOR沸石分子筛膜管； d) 耐酸膜分离器； e) 原料罐；

f) 冷阱； g) 液氮瓶；h) 硅胶真空管；i) 真空缓冲罐； j) 铁架台； k) 真空表；l) 真空泵。

渗透汽化装置如图所示，将装满原料混合溶液的原料罐置于恒温水浴锅中加热到一定温度，使用磁力搅拌对原料液进行充分搅拌，使原料液在膜管周围充分流动，以防止原料液扩散效应对膜渗透汽化分离的影响；将制备好的膜管装入膜分离器中，使得膜管一端密封，另一端通先连接液氮冷阱，将安装好膜管的膜分离器浸入原料液中，原料罐和膜分离器之间采用聚四氟乙烯塞密封；液氮冷阱中填充足量的液氮，另

一端接真空缓冲灌，真空缓冲灌同时接上真空泵和真空表；开启真空泵进行抽真空，由液氮冷阱冷凝收集渗透液，按一定的时间间隔取样，称重，采用气相色谱分析原料和渗透液组份。

渗透汽化主要工艺条件

（1） 原料液温度

原料液温度，即渗透汽化实验的操作温度，是重要的操作条件之一。如果料液温度较高，则渗透汽化过程中推动力就大，原料液中的组分在膜中的扩散系数大，过程渗透通量就大，同等条件下完成特定分离操作所需要的分离膜膜面就积小，一定程度上降低了造价。另一方面，如果料液温度高，通过膜后的渗余侧压力就较高，冷凝所需消耗的能量就少，但是太高的温度会影响膜的分离选择性，并且加热所需消耗的能量又提高了。

（2） 透过侧压力

透过侧压力是决定渗透汽化推动力的另一个因素，透过侧压力低，推动力就大，导致渗透通量大，但是透过侧的压力必须比渗透物的饱和蒸汽压要高，否则渗透出的产物将无法被冷凝，而全被真空泵抽出，因此要正确选择的透过侧压力，同时必须相应降低冷凝器中的冷凝温度。本文中选用液氮为冷源，液氮的温度为-196℃，在此温度下，水(冰)的饱和蒸汽压至少低 Pa ，乙酸的饱和蒸汽压至少低于100 Pa ，所以实验需保持膜后侧压力在200~400Pa 较为适宜。

由以上分析，确定膜后侧压力：800~1500Pa ，料液温度在30~80℃之间。

实验数据处理

为了分析原料液和渗透液的组成，采用

HP6890型气相色谱进行色谱分析，色谱柱

HP -5，固定相为苯甲基硅烷，柱长30m ，内径，H 2为载气，使用

热导检测。

混合体系透过膜的渗透通量Q ：

t A M Q ?= 其中，Δt(h)为试验压力下进行渗透蒸发的时间，M 为冷阱中收集到的透过物的质量(kg)，A 为膜的有效面积(m 2)，Q 为膜的渗透通量。

3 结果与讨论

晶种层的形貌

图为空载体管和涂晶完成后的载体管的 SEM 照片。可以看出，氧化铝载体管经过涂晶后表面较为平整并且致密，基本不存在小孔缺陷，表面晶种覆盖度较好；从截面图可以看出，晶种只在载体管外表面形成一层薄膜，只有极为少量的晶种颗粒进入到载体孔道内部。

图空载体管与涂覆晶种载体管的 SEM 照片

a), b) 空载体管的表面、截面图像；

c), d) 完成涂晶后的载体管的表面、截面图像

Al含量对丝光沸石膜的影响

本实验中采用了二次水热合成法来进行丝光沸石分子筛膜的合成，将摩尔组成为

10Na

2O::36SiO

2

:960H

2

O的混合物溶液作为丝光沸石膜的合成母液。在渗透汽化操作

时，最好要求膜具有较大的通量。由于合成液中硅/铝元素摩尔比不同, 会直接决定合成出膜的硅/铝比，从而影响制备出膜的分离性能。故本实验通过调整铝源（铝酸钠NaAlO

2

）的加入量，考察不同铝量下制备出的丝光沸石膜的性能差别，并通过不断尝试，从中找到规律，试图最终发现最佳加入量。

本实验中将10Na2O::36SiO2:960H2O作为正常比例的配方，在其他组分含量固定不变的情况下，将Al源含量分别增至两倍、三倍、四倍，作为合成母液来制备丝光沸石膜，得到样品M1（27号管），M2（28号管），M3（30号管），M4（32号管）。

对所得样品进行渗透汽化实验来考察其分离性能，得到结果如下表所示：

表不同Al含量对丝光沸石膜渗透汽化性能的影响；

序号Al含量晶化温度℃

50AAc75*

通量J*

Kg/(m2 h)

分离系数α*

M1 1倍120

M2 2倍120

M3 3倍120

M4 4倍120

注1）50AAc75表示75℃的含乙酸50 wt%的溶液；

表为不同Al源加入量的合成母液所合成的丝光沸石膜的乙醇脱水渗透汽化性能。由表可见，随着Al源投料的增加，通量逐渐上升，分离因

子先降低而后增加。在投入4倍量的Al源时，通量为 kg/(m2·h)，分离因子也较大。但是，由电镜照片可见，所合成的膜层厚度太大，非常容易出现缺陷，不利于长期进行渗透汽化实验。同时，在实验操作过程中发现，将铝源加到体系的过程中会出现乳白色的凝胶，不利于溶液的充分搅拌，并且凝胶的状态随着铝源含量的不同而有所变化：当加入的铝源（NaAlO2）含量较少时，形成的凝胶较稀，导致晶化时晶体的生长速度减慢。因此, 随着合成液中 Si/Al 摩尔比的不断增大,所制备出的膜在渗透汽化实验中表现出的分离因子降低。此外, 四种条件下合成出的丝光沸石膜的连续性和致密性均较好。

F-离子含量对丝光沸石膜的影响

本实验中使用NaF作为氟源，在节实验的基础上，在不同倍数铝源的条件下，将NaF以不同比例添加到原合成液体系中，在120℃条件下进行晶化合成沸石膜，以考察不同F-离子含量对丝光沸石膜的影响。本组实验中每100g体系中加入NaF的质量分别为（微量）、（适量）、1g（大量），共制备样品膜12个。将12件样品膜进行渗透汽化实验，分别在90%异丙醇和50%乙酸溶液中考察分离性能。由于实验条件和时间所限，本组实验仅测算了每个样品的渗透通量，没有对其分离选择性进行考察。

得到的实验结果如表所示：

表不同F-含量对丝光沸石膜渗透汽化性能的影响；

序号Al源含量NaF含量90IPA75通量*

50AAc75通量

*

Kg/(m2 h) Kg/(m2 h)

M14

1倍

M12

M13 1g M15

2倍

M16

M17 1g M18

3倍

M21

M22 1g

M23

4倍

M25

M26 1g

注1）90IPA75表示75℃的含异丙醇90 wt%的溶液；

50AAc75表示75℃的含乙酸50 wt%的溶液；

从以上结果可以看出，当 NaF以微量加入时，分离通量几乎没有改变。这可能是因为F离子起到了模板剂和矿化剂的作用，在合成过程中改变了膜的结构形貌、厚度以及结晶度，总体来说对所合成的膜的分离性能的影响不大。当 NaF量继续增大时，发现了明显的通量下降的趋势，这说明当F含量增大到一定程度时，F不仅仅起矿化剂的作用，而且更多地发挥了结构导向剂作用，使得所合成的丝光沸石膜的 Si/Al 比增大，降低了亲水性，从而导致了通量的减少。同时通过电镜照片观察，因为 F含量的增加，使得合成晶体粒径从6~8 μm降低到2~3 μm，小晶粒的沸石膜降低了缺陷的产生的几率，使得原料中的分子更难通过膜。李宝宗等[48]通过量子化学计算方法发现，F 的存在会增长 Si-O 键，增强纯硅四元环的稳定性，而降低硅铝四元环的稳定性，从而提高了沸石晶体的 Si/Al比。目前高硅 MOR 沸石分子筛的制备大多也是采用 F体系合成。由此可见，F在一定程度上影响MOR 沸石膜的结晶度、微观结构；当 F含量增加到一定程度，才较大的发挥结构导向作用，影响分离性能。在渗透汽化应用中，F含量过多会提高 Si/Al 比，降低通量，可见，F含量应该适中。

结论

本论文通过考察不同Si/Al比、不同F含量对丝光沸石分子筛膜的影响，优化了合成丝光沸石分子筛膜的合成条件，成功地合成出一系列薄且致密、重复性良好、耐酸及分离性能优异的丝光沸石分子筛膜。将合成的丝光沸石分子筛膜进行SEM、XRD表征，以考察其表面形貌结构，最后将合成的丝光沸石分子筛膜应用于水/乙酸混合物及水/异丙醇混合物的分离，以考察其分离性能。主要结论归纳如下：

（1）使用热浸渍涂层法，通过二次水热合成丝光沸石膜被证明是一种高效可行的制备丝光沸石膜的方法，涂层浸渍法能够较好的弥补载体膜的缺陷，并且使晶种在载体表面可控生长。

（2）考察了Al含量对合成膜的影响，Si/Al比比较大或较小时膜的渗透通量都不是很大，而Si/Al比为108时可以得到较大的渗透通量和较大的渗透侧水浓度。因此得出最佳Si/Al比为108。

（3）考察了F含量对合成膜的影响，F在一定程度上影响MOR 沸石膜的结晶度、微观结构；当 F含量增加到一定程度，才较大的发挥结构导向作用，影响分离性能。在渗透汽化应用中，F含量过多会提高 Si/Al 比，降低通量；可见，F含量应该适中。

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