一种微波加热法合成T型分子筛膜的方法
技术领域
本发明涉及分子筛膜的合成和应用,特别是提供了一种快速合成T型分子筛膜的新方法:微波加热合成。
背景技术
近半个世纪以来,随着能源短缺的加剧和人们环保意识日益增强,传统的高能耗、高污染工业急需进行大规模的技术改革。膜分离技术由于其与传统工业中的分离技术相比具有低能耗、不产生污染、易于实现连续分离、易于与其它分离过程耦合、可在温和条件下实现分离、易于放大等优点而在化工、食品、医药、环保、冶金等工业部门得到越来越广泛的应用。
沸石分子筛膜是最近十多年发展起来的一种新型无机膜,它具有一般无机膜耐高温、抗化学侵蚀与生物侵蚀、机械强度高、通量大等优点。同时,它又具有沸石分子筛的结构特点:规则的孔道结构,具备分子筛分性能;比表面积大,吸附能力强;可调变的亲/疏水性。这些特性,使得沸石分子筛膜具有了良好的分离性能,使之在许多膜过程(如渗透汽化、气体膜分离、膜反应等)中有着广阔的应用前景。另外,由于沸石分子筛结构和性能上的特点,沸石分子筛膜在主客体化学、色谱、生命科学、电极、传感器、光学材料、电学材料等众多领域也显示了极强的应用前景。
近年来,国内外众多的科学家对分子筛膜的合成及其应用进行了广泛的研究,开发了多种分子筛膜的合成方法,主要包括:原位水热合成法(不需要预涂晶种)、二次生长(晶种法)法、气相合成法等。其中对于气相合成法,由于该方法在合成分子筛膜的过程中,很难保证其凝胶的完全转化,而且在生成分子筛的时候,几种分子筛会同时形成,不利于分子筛膜的稳定。对于原位水热合成,它的优点是操作简单,适用面广,但是由于其原位成核和载体的表面性质和合成液的微观环境有很大关系,因此合成的重复性差。另外由于没有晶种的预先存在,在合成的过程中容易发生转晶。二次生长法是指先在基膜上引入一层均匀的分子筛晶种,直接在基膜表面提供成核中心,然后晶种化基膜在合成液中水热合成分子筛膜。二次生长法最显著的优点是能把成核过程和晶体生长过程分开,抑制晶核转变成其它晶体,提高了分子筛膜的纯度。此外,二次生长法能缩短成核和晶体生长时间,加快基膜表面分子筛膜形成,提高结晶度。
T型分子筛膜是一种耐酸的亲水性分子筛膜,日本三井造船公司的Kondo等人从凝胶体系出发在多孔莫来石基膜上合成了T型分子筛膜,他们将合成的分子筛膜用于有机物/水渗透汽化分离中,表现出了优良的性能(美国专利:6,159,542)。不过由于他们采用的合成方法为常规水热合成法,合成之前基膜表面预涂晶种,合成时间长,分子筛膜较厚,表面晶体疏松堆积,有效厚度薄。日本Yamaguchi大学的Okamoto教授用相同方法合成了T型分子筛膜,分子筛膜对90wt.%的乙醇水溶液的分离系数为900,透量为1.1kg/m2.hr,并且对水含量低于50wt%的乙酸水溶液具有良好的脱水能力(摘自Journal of membrane science,vol 236,2004,p17)。T型分子筛膜还被用于分离混合气体,308K时,CO2/N2和CO2/CH4的分离系数为107和400;473K时,CO2/N2和CO2/CH4的分离系数为20和52(摘自Journal ofMaterials Chemistry,vol.14,2004,p924),但是他们的方法合成时间较长,合成的膜也较厚。
另外,对于工业应用中的放大合成来说,随着所用的合成釜的加大,以上方法都需要面对诸如传热过程中出现的温度梯度和重力影响下的沉降现象等放大问题,这也是为什么分子筛膜经过了十几年的研究,却至今很少能够实现工业化的原因之一。
由于微波加热是一种体相加热,且微波加热能大大缩短合成时间,因此在微波合成中,常规传热过程中出现的温度梯度和重力影响下的沉降现象等放大问题将迎刃而解。李砚硕等采用澄清溶液,原位老化-微波加热合成A型分子筛膜,通过二次合成,在三氧化二铝基膜表面生成了一层约5微米厚的致密A型分子筛膜,65℃时,对90wt.%的乙醇水溶液的分离系数大于10000,透量为0.51kg/m2.hr(摘自Journal of membrane science vol.2772006,p230)。
如果能充分利用微波加热的特点,与常规加热相结合,则有望快速高效地合成出具有实际应用价值的高性能的分子筛膜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合成T型分子筛膜的新方法:微波加热合成。该方法合成出的分子筛膜具有高的分离性能,硅铝比为3.6,具有良好的耐酸性,合成具有高重复性。
具体地,本发明提供了一种微波加热合成T型分子筛膜的方法,其特征在于制备过程如下:
(1)分子筛合成液的配制,配方为:aSiO2∶Al2O3∶bNa2O∶cK2O∶dH2O,其中a=18-60,b=4-18,c=1-5,d=200-1000;
(2)将涂晶种的多孔基膜置于合成液中,在微波加热前连同合成液一起进行常规加热水热合成,合成温度为60℃~120℃,合成时间为4-24h;
(3)常规加热水热合成之后,利用微波加热合成,温度为60℃~120℃,合成时间为30~180分钟;
(4)洗涤烘干。
本发明提供的合成分子筛膜的基膜为多孔氧化物基膜或多孔金属膜,基膜材料为氧化铝,氧化硅,氧化锆,不锈钢;基膜的形状可以为片状,管状,中空纤维,多通道陶瓷载体。
本发明使用的晶种液浓度应在给定范围内,如果过稀,涂布得到的晶种层的晶种密度太小,无法合成出连续的分子筛膜;如果过浓,则涂布得到的晶种层太厚,容易产生裂缺。浸涂晶种液的时间应在给定范围内,如时间过短,则无法提供足够的成核中心,也不能合成出连续的分子筛膜;如时间过长,则得到的晶种层太厚,容易产生裂缺。所以适宜的涂晶条件为:悬浮液浓度为1-20g/L,晶粒大小为0.02-10μm,浸涂时间为30-300s。
本发明的优点:
本发明提供的合成分子筛膜的制备方法,在常规加热水热合成之后,只需微波加热合成30~180分钟就得到了连续的分子筛膜,合成时间较常规加热合成方法缩短了很多。90本发明合成的T型分子筛膜显示了优秀的醇/水渗透汽化性能,且使用本发明提供的方法进行合成,合成的重复性相当高。
附图说明
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图1为T型分子筛膜的制备流程示意图;
附图2为预涂T型分子筛晶种基膜的X-射线衍射图;
附图3为实施例1合成分子筛膜的X-射线衍射图;
附图4为实施例1合成分子筛膜表面的扫描电子显微镜图;
附图5为实施例1合成分子筛膜截面的扫描电子显微镜图;
附图6为比较例1常规加热合成分子筛膜表面的扫描电子显微镜图
附图7为比较例1常规加热合成分子筛膜截面的扫描电子显微镜图
附图8为比较例2合成分子筛膜表面的扫描电子显微镜图;
附图9为比较例2合成分子筛膜截面的扫描电子显微镜图;
附图10为实施例7耐酸性试验中,分子筛膜的透量与渗透汽化时间关系图。
附图11为实施例7耐酸性试验中,分子筛膜的渗透液水含量与渗透汽化时间关系图。
附图12为比较例7中,A型分子筛膜的渗透液的透量及水含量与渗透汽化时间关系图。
具体实施方式
实施例1T型分子筛膜的制备
合成分子筛膜所用的基膜为多孔α-Al2O3基膜,其孔径平均约为0.5m,孔隙率为40%,载体形状为管状,内径为7mm,外径为9mm,长度为8cm。
称取3.0克T型分子筛晶种,加入300毫升蒸馏水,搅拌后在超声波中充分振荡分散成均匀的分子筛悬浮液。将管状α-Al2O3基膜在制得的分子筛悬浮液中浸涂30秒后取出。晾干后在一定温度下烘干固化得晶种化基膜。
将涂晶种的膜管两端用聚四氟乙烯堵头堵死(防止膜管内部接触合成液),然后垂直放置于聚四氟乙烯合成釜中,加入合成液,在膜管的外表面进行合成。制备流程示意图如图1所示。
合成分子筛膜的合成液按如下方法配置:
溶液(1):8.778克KOH和15.44克NaOH溶于85.12ml去离子水中,然后加入1.925克金属铝箔,溶解后与112.2ml硅溶胶(其中含SiO2为31%,密度为1.222g/ml)混合;搅拌混合溶液至均匀。最终得到的合成液的配方为:20SiO2∶Al2O3∶5.5Na2O∶1.8K2O∶280H2O。
将涂晶种的膜管垂直放置于聚四氟乙烯合成釜中,将合成液倒入合成釜之中;在微波合成之前,将合成釜置于100℃烘箱中,使膜管在合成液存在条件下常规加热14小时;常规加热之后,将合成釜置于微波炉中,维持合成温度为100℃,反应100分钟;合成后的膜管经去离子水洗涤至中性,然后60℃烘箱烘干过夜。得到的分子筛膜经X-射线衍射证实为T型分子筛膜(如图2所示)。从扫描电子显微镜照片上可以看出基膜表面有一层均匀且致密的分子筛膜形成(如图3,4所示),EDX结果显示分子筛膜的硅铝比为3.6。
实施例2T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是所采用的晶种悬浮液为:称取0.6克T型分子筛晶种,加入300毫升蒸馏水,搅拌后在超声波中充分振荡分散成均匀的分子筛悬浮液。合成所得的分子筛膜的渗透汽化分离性能与实施例1合成的分子筛膜接近。
实施例3T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是所采用的晶种悬浮液为:称取6克T型分子筛晶种,加入300毫升蒸馏水,搅拌后在超声波中充分振荡分散成均匀的分子筛悬浮液。合成所得的分子筛膜的渗透汽化分离性能与实施例1合成的分子筛膜接近。
实施例4T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是管状α-Al2O3基膜在制得的分子筛悬浮液中浸涂时间为160秒,合成所得的分子筛膜的渗透汽化分离性能与实施例1合成的分子筛膜接近。
实施例5T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是管状α-Al2O3基膜在制得的分子筛悬浮液中浸涂时间为300秒,合成所得的分子筛膜的渗透汽化分离性能与实施例1合成的分子筛膜接近。
实施例6T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是合成分子筛膜所用的基膜为多孔不锈钢基膜,其平均孔径为1um,空隙率为30-40%,基膜形状为管状,内径为8mm,外径10mm,长度为25cm。合成所得的分子筛膜的渗透汽化分离性能与实施例1合成的分子筛膜接近。
实施例7T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是所采用的基膜为片状,直径为25mm,厚度为2mm。基膜使用前用细纱纸打磨平整,蒸馏水中超声波洗涤,然后烘干备用。烘干的基膜需预涂T型分子筛晶种后用于合成。从扫描电子显微镜照片上可以看到合成出的分子筛膜的表面形貌与实施例1中以片状基膜为载体合成出的分子筛膜相似。
实施例8T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是将内壁涂晶种的膜管外壁用聚四氟乙烯带缠上(防止膜管外壁接触合成液),然后垂直放置于聚四氟乙烯合成釜中,在膜管的内表面进行合成。合成所得的分子筛膜的渗透汽化分离性能与管外合成的分子筛膜接近。这个例子说明采用该方法可以方便地在载体的孔道内进行合成。
实施例9T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是所采用的合成条件为:在微波合成之前,将合成釜置于120℃烘箱中,使得膜管在合成液存在条件下常规加热4小时;常规加热之后,将合成釜置于微波炉中,维持合成温度为120℃,反应30分钟。合成所得的分子筛膜的渗透汽化分离性能与实施例1合成的分子筛膜接近。
实施例10T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是所采用的合成液的配方为:52.6SiO2∶Al2O3∶15.8Na2O∶4.7K2O∶846.1H2O;合成条件为:在微波合成之前,将合成釜置于60℃烘箱中,使得膜管在合成液存在条件下常规加热24小时;常规加热之后,将合成釜置于微波炉中,维持合成温度为110℃,反应180分钟。合成所得的分子筛膜的渗透汽化分离性能与实施例1合成的分子筛膜接近。
实施例11T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是所采用的合成液的配方为:36.1SiO2∶Al2O3∶11.3Na2O∶3.2K2O∶600H2O;合成条件为:在微波合成之前,将合成釜置于120℃烘箱中,使得膜管在合成液存在条件下常规加热18小时;常规加热之后,将合成釜置于微波炉中,维持合成温度为60℃,反应80分钟。合成所得的分子筛膜的渗透汽化分离性能与实施例1合成的分子筛膜接近。
实施例12分子筛膜合成的重复性实验
采用管状基膜,长度为8cm,按照实施例1的方法进行合成,共进行5个平行试验。合成所得的膜管进行渗透汽化分离实验,渗透温度为75℃,原料液为90wt.%的乙醇/水体系。所有结果表1所示:
表1分子筛膜合成的重复性实验
实验序号 |
分离系数 |
透量(kg/m2·hr) |
1 |
1039 |
2.360 |
2 |
1290 |
2.280 |
3 |
1450 |
2.420 |
4 |
1802 |
2.432 |
5 |
1070 |
2.304 |
由表可见,采用本发明提供的方法合成分子筛膜具有很好的重复性。
实施例13 T型分子筛膜耐酸性试验
向90wt%的乙醇-水混合溶液中加入冰醋酸至pH=4.5。将实施例12中的1号分子筛膜进行渗透汽化分离研究,在渗透温度为75℃时,乙酸/乙醇/水体系的分离结果如图10,11所示;图中第一数据点是在渗透温度为75℃时,90wt%乙醇/水体系的分离结果。
比较例1
(1)T型分子筛膜的制备
我们用常规加热法水热合成了T型分子筛膜,其条件为:100℃;20小时;由图6,7可见,合成的膜表面疏松,膜厚为20微米;75℃时,90wt%乙醇/水体系,膜的分离系数为147,渗透液透量为3.94kg/m2.hr。按实施例1合成T型分子筛膜,其合成温度为100℃,但合成时间约为15小时,因此合成时间大大缩短;由图4,5可见,微波合成的膜表面致密且膜厚约为7~8微米,均优于常规加热法;由实施例13可知,微波合成的T型分子筛膜的分离能力有较大提高。
比较例2
(2)T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是在微波合成之前,并没有将膜管在合成液存在条件下常规加热合成,而是直接将合成釜置于微波炉中,在120秒钟之内迅速升温至100℃,维持合成温度为100℃,反应100分钟;合成后的膜管经去离子水洗涤至中性,然后60℃烘箱烘干过夜。由图8,9可见,晶种层未转化为致密的分子筛层,只在晶种层表面生成分子筛薄层。因此,微波合成之前必须常规加热合成。
比较例3
(3)T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是基膜表面没有涂T型分子筛晶种,用XRD和SEM等手段对合成后的基膜进行表征,发现在基膜表面没有T型分子筛膜生成,从反应釜中收集到的粉体经XRD表征为无定型态。因此,只有在基膜表面预涂T型分子筛晶种,才能微波合成T型分子筛膜。
比较例4
(4)T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是所采用的合成液的配方为:20SiO2∶Al2O3∶5.5Na2O∶1.8K2O∶1500H2O;用XRD和SEM等手段对合成后的基膜进行表征,发现在基膜表面没有致密的T型分子筛膜生成。因此,只有适宜的合成液组成范围,才能微波合成T型分子筛膜。
比较例5
(5)T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是所采用的合成液的配方为:20SiO2∶Al2O3∶20Na2O∶1.8K2O∶280H2O;用XRD等手段对合成后的基膜进行表征,发现在基膜表面没有连续的T型分子筛膜生成,而且预涂的晶种被溶解。因此,只有适宜的合成液组成范围,才能微波合成T型分子筛膜。
比较例6
(6)T型分子筛膜的制备
按实施例1相同的操作,只是所采用的合成液的配方为:15SiO2∶Al2O3∶5.5Na2O∶1.8K2O∶280H2O;,用XRD和SEM等手段对合成后的基膜进行表征,发现在晶种层表面只有凝胶层生成,没有T型分子筛膜生成。因此,只有适宜的合成液组成范围,才能微波合成T型分子筛膜。
比较例7
(7)T型分子筛膜的耐酸性
我们用原位老化微波加热法水热合成了A型分子筛膜,其合成方法见Journal of membrane science vol.277 2006,p230;75℃时,90wt.%乙醇/水体系,膜的分离系数为10000,渗透液透量为0.79kg/m2.hr。在pH=4.5的90wt.%乙醇/水体系中,其渗透汽化能力如图12所示,图中第一数据点是在75℃时,90wt.%乙醇/水体系的分离结果;随后pH值调整为4.5,4小时取样时,我们发现膜已破坏,因此,A型分子筛膜耐酸能力差;图10,11证明我们用微波加热合成的T型分子筛膜具有极好的耐酸能力。