基于微孔陶瓷与沸石复合的NaA分子筛膜制备及表征

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NaA分子筛是一种具有孔径为0.41nm的三维孔隙体系的典型沸石分子筛,其晶穴内部存在着强大的电场和极性作用,对水有很强的亲和力。由其形成的无机膜可通过渗透汽化脱除有机物中的水分,在醇/水体系等有机物脱水分离领域具有广泛的应用前景。然而,在NaA分子筛膜的制备及性能方面,存在着合成周期长、成膜效率低及易形成膜缺陷等问题。因此,探索分子筛膜的快速合成方法和提高成膜品质成为备受关注的研究方向。本文通过固态粒子烧结法制备圆片状微孔α-Al2O3陶瓷支撑体,晶种诱导-水热法合成NaA型沸石分子筛膜,研究了支撑体的制备方法及支撑体预处理对分子筛成膜的影响;以管状亚微米微孔α-Al2O3陶瓷作支撑体,采用晶种诱导-环形聚焦单模微波法合成分子筛膜,探讨了分子筛膜的快速合成路线和方法。以氧化铝粉(D50=5.2μm)为骨料,TiO2为烧结助剂,采用干压法成型、固态粒子烧结法制备微孔氧化铝陶瓷支撑体(φ40mm×4mm)。研究了造孔剂(羧甲基纤维素)、粘结剂(高岭土)的添量及烧成制度。在羧甲基纤维素添加量为4%,高岭土添加量为6%,1300℃下烧成平均孔径为1.5μm、孔隙率为33%的陶瓷支撑体,抗折强度为31.4MPa。分别采用水热法和环形聚焦单模微波法合成不同粒径的晶种,用以修饰不同孔径的支撑体。按摩尔比为n(Na2O):n(SiO2):n(Al2O3):n(H2O)=3:2:1:150配制晶种合成液,利用水热法在98℃、2h条件下合成出粒径为1.4~1.6μm的晶种;采用单模微波法在120℃、150W、8min条件下合成出粒径为450~550nm的晶种。以甲基纤维素作分散剂配制分子筛晶种液,通过提拉浸渍使晶种负载到陶瓷支撑体表面上,再经水热反应合成分子筛膜,研究了晶种分散效果对分子筛成膜及其性能的影响。结果表明,浓度为0.7wt.%的甲基纤维素溶液分散1wt.%的晶种,可均匀包覆在支撑体上,有效修饰支撑体的大孔等缺陷。在此基础上合成的分子筛膜,平整连续、致密,其渗透通量为2.1 kg·m-2·h-1,分离因子达3950,显示出良好的分离性能。以单通道亚微米孔径氧化铝陶瓷管作支撑体,采用环形聚焦单模微波法合成了致密连续的NaA分子筛膜。基于AFC(Auto Focus Coupling)环形聚焦自动耦合的单模微波技术,其稳定的微波能量输出确保了反应的定量性和重现性,而高微波能量场密度则使得合成时间大大缩短。以硅溶胶作为硅源,按摩尔比为n(Na2O):n(SiO2):n(Al2O3):n(H2O)=3:2:1:150配制分子筛膜合成液,陈化24h,在微波辐射功率150W、辐射温度120℃的条件下,仅用12min(传统水热法需4h左右)即可合成出致密连续的NaA分子筛膜,膜厚度仅为4μm。经醇/水渗透汽化分离测试,其渗透通量为2.3 kg·m-2·h-1,分离因子可达3970。
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