纳米孔径可控陶瓷膜的制备与应用基础研究

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陶瓷膜在食品、生物、环境、化学、石油化工、冶金等领域得到了广泛的应用,但其制备成本高以及孔径尺寸分布宽,支撑体与膜层之间的热膨胀系数差异和化学相容性差,导致膜层产生裂纹和结合力差。本文以A型沸石(NaA)粉末为原料,采用模压法制备含有NaA次级结构的纳米多孔陶瓷支撑体,并将其用于浸渍法和二次生长法制备NaA沸石分离层,考察膜系统对O2/N2的选择性分离。借助XRD、SEM、静态氮气吸附、三点弯曲法以及气体渗透性能等手段对支撑体进行表征,并探索最佳制备工艺;单组份气体渗透,双组份气体分离、SEM、XRD、三点弯曲法等表征分离层的分离性能和结构性能。研究结果表明:(1)通过模压法制备沸石基多孔陶瓷支撑体,在较低温度(800℃)下实现了对陶瓷支撑体的烧结,对比了造孔剂、烧结温度和硅溶胶浓度对支撑体性能的影响,发现随着造孔剂含量的增加支撑体的孔隙率与气体渗透性能越随之增加,但是其物理性能下降;烧结温度的升高会将NaA沸石结构含量减少并逐渐形成三斜霞石致密结构;硅溶胶浓度会为陶瓷膜提供更多的粘结位点,致使物理性能增强,降低了气体渗透性。在最佳工艺条件烧结温度800℃、造孔剂含量5%、硅溶胶浓度30%,制备的陶瓷支撑体的弯曲强度为16.37 MPa,孔隙率为31.36%,平均孔径为12.91 nm和1249.12m~3·m-2·h-1·MPa-1的N2渗透量。(2)通过浸渍法在上述沸石基陶瓷支撑体制备NaA分离层,对其进行单组份气体渗透性能得出理想气体分离系数。通过调控固含量、浸渍次数和煅烧温度来制备具有优异结合性能的NaA沸石分离膜。结果表明分离层和支撑体之间表现出优异的结合性能。NaA沸石颗粒粒径小,在高固含量和多浸渍次数会发生团聚现象,在热应力下产生裂纹而降低分离性能。结果表明固含量为30%、浸渍次数2次和煅烧温度600℃制备的陶瓷膜最佳,其O2和N2渗透量分别为474.12和361.10 m~3·m-2·h-1·MPa-1,理想分离系数为1.31。(3)按照摩尔比(n)Al2O3:(n)SiO2:(n)Na2O:(n)H2O=1:2:2:120配置合成液,通过二次生长法在上述沸石基陶瓷支撑体上制备NaA沸石膜分离层,通过调控晶化液的陈化时间、晶化时间和晶化温度等因素,探究对NaA沸石膜结构和分离性能的影响。结果表明在陈化时间6 h、晶化时间12 h和晶化温度100℃制备NaA沸石膜分离层最佳,对单组份气体O2和N2的渗透了分别为72.37和37.46 m~3·m-2·h-1·MPa-1,理想分离系数为1.93,能将空气中的O2浓度增加至25~28%,具有用于制备工业富氧燃烧等组件的应用潜力。
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