NaA分子筛膜的放大研究和原位合成探究

作     者：李若琳 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王正宝

授予年度：2020年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：NaA分子筛膜 放大制备 配方优化 工业化应用 原位合成 清液 

摘      要：NaA分子筛的孔道结构规则、比表面积高、水热稳定性高,并且具有极强的亲水性,形成的NaA分子筛膜在有机溶剂脱水渗透汽化分离领域已有工业化应用。已报道的合成NaA分子筛膜的方法有晶种二次生长法、蒸汽相转化法、微波法、载体改性后原位合成或多次原位合成等。但是,目前NaA分子筛膜的工业化应用制备成本高,配方少,膜的制备技术研究仍然具有重要意义。本文将进行两方面的研究工作,一是针对本课题组提出的湿法擦涂涂晶法具有高重复性的优势,进行产业化放大研究,降低制膜成本;二是针对二次生长法涂晶步骤复杂的问题,进行原位合成深入研究,以排孔陶瓷板为载体,探求更简易的制膜方法。主要研究内容和结果如下:（1）NaA分子筛膜的工业应用优化制备本研究以廉价的国产大孔氧化铝管为载体,使用廉价国产原料通过二次生长法制备NaA分子筛膜。考察合成液碱度、水含量、原料对合成的NaA分子筛膜层性能的影响,确定了更加宽泛的配方范围。用SEM,渗透汽化（PV）等手段对样品进行表征,发现随着配方xNa2O:2SiO2:1A12O3:wH2O中水含量w的值从110增加到190,NaA分子筛膜的分离选择性能（分离因子）呈现先升高后降低的趋势。w为140-180时均能获得致密NaA分子筛膜,其用于90%乙醇水溶液渗透汽化分离时的分离因子高于8000。碱度x为2.4-2.7时均能制备出分离因子高于5000的NaA膜,且当x为2.5（略高于最低碱度）时,制备出的NaA膜的分离因子最高。此外,本文用不同工业铝源作为原料,发现当保持碱度最低即不添加NaOH、水含量w为150时,均能获得高分离性能的NaA分子筛膜。以上探究为工业化制备提供了更加宽泛的制备条件和原料。放大探究发现,本配方不受合成釜中聚四氟乙烯内胆有无的影响,但不同的PV装置会对膜性能产生比较大的影响。由于浓差极化的存在,在管状膜组件中进行渗透汽化的膜通量较低。最后利用优化的放大制备条件在80 cm的大孔氧化铝管上制备了高分离性能的NaA分子筛膜,与市售商业化的NaA膜以同样的渗透汽化方式进行对比,发现本研究的膜通量为后者的2-3倍,分离因子也高于后者。（2）原位合成NaA分子筛膜的合成条件探究与成膜过程研究本研究采用国产廉价原料,以排孔陶瓷板为载体,在澄清合成液（简称清液）合成体系中原位合成NaA分子筛膜,探究的影响因素包括合成液碱度、合成液陈化时间、合成时间和合成温度,并且通过不同载体和处理对分子筛膜的形成过程进行推测。用XRD、SEM和PV等手段对样品进行表征。发现碱度是原位成膜的敏感因素,仅当在合成液配方为（39/38.5Na2O:4SiO2:1A12O3:700H2O）时,在80℃下晶化4h后合成的膜的分离因子可以达到10000以上。而陈化时间对形成致密膜层的影响不明显,但是随着陈化时间的增长（0-1.5 h）,合成的膜通量呈现逐渐上升的趋势。主要是因为陈化时间延长有助于合成液在反应过程中更加快速地结晶成核。随着反应时间逐渐增加（0-4 h）,膜表面由凝胶层变化为具有清晰晶体形状的膜层,在陈化1h,晶化3 h时就能制备出分离因子高于10000的分子筛膜。当合成温度为70℃时,陈化1 h晶化4h也可以制备出分离因子高于10000的膜层。此外,研究发现清液原位合成的NaA分子筛膜与用传统凝胶二次生长法合成的膜相比通量偏低。研究发现,合成液供给方式有很大影响,即单侧接触合成液时无法制备出具有高分离因子的膜层,而双侧供给合成液时可以获得致密膜;即使将内膜抛光,仅保留外侧的NaA膜,其分离因子依然高于10000,但通量没有明显增加。即内膜的存在对膜的高分离因子并没有效果,对通量也无明显阻碍作用。我们推测合成过程中内侧的合成液供给和内外压力平衡对于外侧载体界面处形成高性能的膜非常重要。