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氧化铝中空纤维载体上NaA分子筛膜的制备与分离性能研究

作　者: 邵佳
导　师: 王正宝
学　校: 浙江大学
专　业: 化学工程
关键词: NaA分子筛膜渗透汽化水热合成中空纤维
分类号: TQ424.25
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

NaA分子筛膜,由于其具备极强的亲水性和0.42nm的孔径,适用于渗透汽化实现有机物的脱水。目前,NaA分子筛膜已由日本三井造船公司实现工业化,但膜的性能还有待于进一步提高,膜成本可进一步降低,成膜机理需进一步完善。陶瓷中空纤维耐高温耐腐蚀,且具备比表面积大、壁厚薄和表面平整的优势,适于用作分子筛膜的载体,近年吸引了广泛的研究兴趣。本文致力于在氧化铝中空纤维载体表面制备NaA分子筛膜的研究,阐述了二次生长过程中晶种的诱导成膜作用,提出了载体预置硅源的改良原位水热合成法,评价了载体层产生的透过阻力,并针对性地改善了中空纤维载体的结构和性能,制备了具备高渗透汽化分离性能的NaA分子筛膜。(1)晶种诱导成膜过程的探究采用浸涂法在氧化铝中空纤维外表面涂敷晶种,通过二次生长法制备NaA分子筛膜。通过比较纳米级与微米级晶种诱导成膜形貌和性能的差异性,阐述了水热合成阶段NaA分子筛晶体生长与成膜过程。对纳米级晶种而言,源自合成液的初晶核围绕在载体表面预置晶种周围,二者共同生长,迅速连接成层；而对微米级晶种而言,晶体团聚体是膜层的主要构成单元,且源自合成液的共生性较差的晶体嵌入膜层,导致瑕疵位的产生。使用1wt.%的晶种液浓度,90nm晶种对应的膜层醇水分离因子>10,000,而1500nm晶种合成的膜层分离因子<10。另外,研究了球磨所得无规则形状纳米级晶体碎片的诱导成膜作用,并呈现了晶种浓度对NaA分子筛膜分离性能的影响曲线。随晶种液浓度增加,膜层醇水分离因子先增加然后趋于稳定,对表面平整的中空纤维载体而言,合成连续致密NaA分子筛膜所需的最低晶种液浓度仅为0.1wt.%。(2)改良原位水热合成方法的研究从陈化和晶化两个阶段,从增加晶核数目和促进晶体生长两方面,研究合成条件对NaA分子筛膜形貌与性能的影响。提出了载体预置硅源的新型原位水热合成法,具体制备过程为,A.将中空纤维载体预置硅源中,B.滴加铝源制备合成液,C.载体与合成液一同陈化,D.将载体取出旋抹表面凝胶,E.将载体垂直放入合成液离心所得清液中,完成晶化。载体预先被硅源所浸润,随着铝源的滴加,Si和Al成分在载体表面相遇,初晶核从载体表面长出,消除了凝胶不易在载体表面成核的问题,增加了分子筛膜成核位点的分散密度。采用该改良的原位水热法,单次合成即实现具有高醇水分离性能的NaA分子筛膜(分离因子超过10,000,渗透通量范围为5.0～6.5kg m-2h-1)的制备。(3)分子筛膜渗透通量影响因素的考察从分子筛分离层和载体支撑层两方面考察影响整体渗透通量的因素。通过延长晶化时间和增加晶化次数的方式制备了不同膜厚的NaA分子筛膜,并研究了分子筛膜厚对其渗透汽化通量的影响。通过调整挤出压力、A12O3/PES(聚醚砜)比和焙烧温度等纺丝条件,制备了具有不同大孔结构和壁厚的非对称氧化铝中空纤维,并以之为载体合成NaA分子筛膜,研究了载体孔结构、孔隙率和壁厚对分子筛膜渗透汽化通量的影响。中空纤维载体孔隙率为69%时,NaA分子筛膜渗透汽化通量可达11.1kg m-2h-1；而使用孔隙率接近而壁厚减半的中空纤维作为分子筛膜载体时,合成的NaA膜渗透通量提高～35%。另外,模型化计算了渗透汽化过程透过组分在载体两侧的压降,计算结果表明,使用不同壁厚的载体合成NaA分子筛膜,醇水分离时载体层产生的传质阻力都超过载体与分子筛膜层整体阻力的50%。另外,采用具备内外贯通指状孔结构的新型氧化铝中空纤维作为成膜载体,可使分子筛膜通量进一步提高约15%。可见,载体层结构的改善是提高NaA分子筛膜分离性能和机械性能的关键。(4)提高氧化铝中空纤维机械性能的研究。将NaA分子筛晶体混入Al2O3/PES纺丝液中,采用浸入诱导相转化结合焙烧技术,通过调整NaA分子筛含量,纺丝液配比,挤出压力以及焙烧温度等条件,制备了机械性能显著提高的Al2O3中空纤维。通过分析NaA分子筛晶体在焙烧过程中的晶型与状态的改变,考察其焙烧残余物对氧化铝中空纤维形貌,结构及性能的影响。发现,高温焙烧过程中,NaA分子筛晶体经历骨架坍塌,晶型改变以及溶解固化过程,成为Al2O3粒子间强有力的粘合剂,可以降低氧化铝中空纤维的烧结温度。

全文目录

致谢  6-8
摘要  8-10
ABSTRACT  10-16
1 文献综述  16-56
  1.1 引言  16
  1.2 NaA分子筛膜概述  16-29
    1.2.1 LTA型分子筛的结构  16-17
    1.2.2 NaA分子筛膜的合成方法  17-22
    1.2.3 近五年有关NaA分子筛膜的研究进展  22-29
  1.3 陶瓷中空纤维概述  29-43
    1.3.1 陶瓷中空纤维的制备  29-34
    1.3.2 陶瓷中空纤维的表征  34-36
    1.3.3 陶瓷中空纤维的分类  36
    1.3.4 近五年氧化铝中空纤维的研究进展  36-43
  1.4 论文的研究目的和研究内容  43-47
  参考文献  47-56
2 晶种对氧化铝中空纤维载体表NaA分子筛膜的影响  56-79
  2.1 引言  56-57
  2.2 实验部分  57-62
    2.2.1 主要试剂及材料  57
    2.2.2 NaA分子筛晶种的制备与表征  57-59
    2.2.3 中空纤维载体的涂晶与表征  59-60
    2.2.4 NaA分子筛膜的合成与表征  60-62
  2.3 结果与讨论  62-74
    2.3.1 NaA分子筛晶种的合成与表征  62-64
    2.3.2 晶种对膜层生长的影响  64-68
    2.3.3 晶种对膜层分离性能的影响  68-70
    2.3.4 球磨所得晶体碎片的诱导作用  70-72
    2.3.5 NaA分子筛膜生长过程  72-74
  2.4 本章小结  74-76
  参考文献  76-79
3 载体预置硅源原位水热合成法制备NaA分子筛膜  79-98
  3.1 引言  79-81
  3.2 实验部分  81-83
    3.2.1 主要试剂及材料  81-82
    3.2.2 NaA分子膜的合成与表征  82-83
  3.3 结果与讨论  83-93
    3.3.1 传统原位水热法合成的NaA分子筛膜的形貌  83-84
    3.3.2 促进晶体生长  84-86
    3.3.3 增加晶核数目  86-93
  3.4 本章小结  93-95
  参考文献  95-98
4 载体阻力对NaA分子筛膜渗透汽化性能的影响  98-125
  4.1 前言  98-99
  4.2 实验部分  99-103
    4.2.1 主要试剂及材料  99
    4.2.2 氧化铝中空纤维的制备与表征  99-102
    4.2.3 NaA分子筛膜的合成与表征  102-103
    4.2.4 模型化计算透过组分在载体两侧压降  103
  4.3 结果与讨论  103-119
    4.3.1 氧化铝中空纤维载体  103-108
    4.3.2 中空纤维载体表面NaA分子筛膜的合成  108-114
    4.3.3 模型化计算透过组分在载体两侧压降  114
    4.3.4 贯通孔中空纤维载体成膜效果初探  114-119
  4.4 本章小结  119-121
  附录  121-122
  参考文献  122-125
5 添加NaA分子筛提高Al_2O_3中空纤维机械性能  125-141
  5.1 引言  125-126
  5.2 实验部分  126-128
    5.2.1 主要试剂及材料  126
    5.2.2 NaA分子筛添加Al_2O_3陶瓷中空纤维的制备与表征  126-128
    5.2.3 NaA分子筛膜的合成与表征  128
  5.3 结果与讨论  128-138
    5.3.1 检验NaA分子筛晶体焙烧残余物是否具备诱导成膜性  128-129
    5.3.2 NaA分子筛晶体高温焙烧后自身形貌及结构变化  129-130
    5.3.3 添加NaA分子筛对中空纤维形貌结构的影响  130-133
    5.3.4 添加NaA分子筛对中空纤维性能的影响  133-135
    5.3.5 调整纺丝配比和焙烧温度,提高透过性能  135-138
  5.4 本章小结  138-139
  参考文献  139-141
6 总结与展望  141-144
  6.1 全文总结  141-143
  6.2 展望  143-144
作者简介  144-145

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