CN1114469C - 负载分子筛的多孔不锈钢管膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种负载分子筛的多孔不锈钢管膜及其制备方法，主要解决以往技术中没涉及X型分子筛在载体上成膜的缺陷。本发明通过采用以原料摩尔组成为aNa2O·bAl2O3·cSiO2·dH2O的反应体系，其中a/c＝1.0～13.0，c/b＝2～8，d/c＝50～1000，在50～120℃反应温度条件下晶化3～144小时，成功地在孔径为40～10000埃的多孔不锈钢管上晶化生长了X型分子筛，且该不锈钢分子筛膜具有机械强度高，不易破损、耐温、耐压的特点，较好地解决了以往的缺陷，可用于工业生产中。

Description

负载分子筛的多孔不锈钢管膜及其制备方法
本发明涉及负载分子筛的多孔不锈钢管膜及其制备方法。
X型分子筛具有较大的孔径通道，较高的空隙率，适用于较大分子的分离和反应过程。由于不锈钢材料具有耐温、耐压、机械强度高、不易破损，加工成型方便的特点，因此它是膜过程工业化的理想材料。
目前人工合成所得的沸石分子筛均是颗粒状的粉末，其尺寸由晶化液浓度、晶化时间等晶化操作参数决定。由于分子筛孔径均一而且具有高度择形性，在吸附分离和多相催化反应中已被广泛应用。但将分子筛具有的分离及反应功能二者统一起来，利用多孔材料作载体将沸石合成在多孔材料的表面上，从而形成一层均匀沸石分子筛薄膜，同时这层沸石分子筛薄膜既能有催化作用又能实现对部分物料的同步分离，则是近年来科技工作者致力发展的一种新型催化材料。
将分子筛作为制膜材料，最早是用在高分子膜中作为填充剂以提高高分子膜的渗透速度和选择性。由于高分子材料的耐温性，这方面研究一直局限在低温液相分离过程-渗透蒸发过程；在较高温度的气相分离过程最近也有研究，但进展不大。若将分子筛直接生成在陶瓷载体表面上，使其连生成膜，既保持了分子筛的分离和催化特性，大大改进多孔基质底膜对物料的分离效果，实现分离反应一体化，又具有无机膜的优点-耐温、耐化学侵蚀、抗溶胀和良好的机械强度，这成了人们研究的热点和难点。但陶瓷材料易碎，抗震动能力差，加工成型不方便，给工业应用会带来麻烦。
美国专利USP5464798采用在α-Al2O3多孔陶瓷管的内表面上涂γ-Al2O3凝胶，将它修饰成50埃孔径的担载体，陶瓷管中装入硅胶、NaOH和TPABr组成的分子筛母液进行晶化操作，一般2～3次即可。合成的Silicalite-1沸石膜在进行膜修饰后明显降低了气体的渗透通量，一般仅为原基膜的3～14％，N2透量低5倍，n-C4H10低190倍，异丁烷低1000倍。异丁烷在膜上明显产生吸附，沸石膜对正、异丁烷混合物的分离系数可达到22(室温下)。
文献WO 95 29751在陶瓷管和多孔烧结玻璃管上采用原位水热晶化合成出Silicalite-1膜，对H2和i-C4H10渗透速度之比可达30，并可用来研究异丁烷脱氢。反应器外管为不锈钢管，管内外室用石墨垫圈密封，膜管内腔放置工业用Pt-Sn/γ-Al2O3催化剂。采用该分子筛膜催化技术与α-Al2O3膜相比，其异丁烷产率提高70％。
文献EP674939介绍了在多孔α-Al2O3陶瓷体上合成ZSM-5分子筛膜的情况。试验中将硅源和铝源经过适当配置，最后母液的摩尔比组成为SiO2/Al2O3：102，Na2O/SiO2：0.23，TPABr/SiO2：0.1，H2O/SiO2：200，耐压釜放入加热炉中，保持180℃，均匀受热36小时成膜。将制成的该膜应用于空气中CO2分离，αCO2/N2可达53～56，CO2的渗透速率可达1.7×10-7摩尔/米2.秒.帕，而αCO2/N2且亦可达42。
WO 93 17781采用气相合成法，先在α-Al2O3管或碟片上预负载上分子筛合成液，成膜后的干凝胶再在130～200℃温度下水热晶化，多次重复操作成膜。用这种方法合成的ZSM-5沸石膜，对间、对位二甲苯、三异丙苯混合体系有选择渗透作用。
文献USP 4699892利用多孔载体合成出A型沸石层。用甲烷、乙烷和丙烷各33摩尔％的混合物表征膜的分离性，渗透过的气体摩尔组成为甲烷73.5％，乙烷26％，丙烷0.5％。
文献JP 08257301介绍在管状多孔支撑体上合成出了Y型沸石膜。制膜用硅铝酸盐溶胶摩尔组成为H2O/SiO2：50～120，Na2O/SiO2：0.5～2，SiO2/Al2O3：5～15，将多孔载体浸泡于溶胶中水热晶化成膜。该膜可作渗透蒸发分离膜，对醇水，醇一环己烷有机混合体系有分离能力。
综上所述，上述文献中均没涉及X型分子筛在载体上成膜的情况以及适于工业应用的负载X型分子筛的多孔陶瓷管膜情况。
本发明的目的之一是为了克服以往技术中没涉及X型分子筛在载体上成膜情况的缺点，提供一种新型的负载分子筛的多孔不锈钢管膜。该不锈钢管膜是在载体表面生长一层X型分子筛形成复合膜，具有渗透、分离的能力，且该不锈钢管膜具有机械强度高，不易破损、耐温耐压、适于工业应用的特点。
本发明的目的之二是提供一种与目的之一相适应的负载分子筛多孔不锈钢管膜的制备方法。
本发明的目的之一是通过以下的技术方案来实现的：一种负载分子筛的多孔不锈钢管膜，以孔径为40～10000埃的多孔不锈钢管为载体，在载体上晶化生长硅铝摩尔比为2～8的X型分子筛。
上述技术方案中孔径的优选范围为200～5000埃。
本发明的目的之二是通过以下的技术方案来实现的：一种负载分子筛的多孔不锈钢管膜的制备方法，以铝源、钠源、硅胶或硅溶胶和水为原料，反应体系的原料摩尔组成以氧化物计为：aNa2O·bAl2O3·cSiO2·dH2O，其中a/c＝1.0～13.0，c/b＝2～8，d/c＝50～1000，将一个表面覆盖的、孔径为40～10000埃的多孔不锈钢管浸于反应体系中，反应原料在50～120℃反应温度条件下，晶化3～144小时，在多孔不锈钢管上晶化生长X型分子筛。
上述技术方案中，铝源为金属铝箔、铝酸钠、硫酸铝、拟薄水铝石、硅铝酸盐或2～4个碳原子的醇铝，其优选方案为铝酸钠；钠源为铝酸钠或/和氢氧化钠。反应体系的原料摩尔组成中，以摩尔比计，a/c的优选范围为1.2～9.8，c/b的优选范围为3～5，d/c的优选范围为60～800；反应温度的优选范围为80～105℃，晶化时间的优选范围为24～96小时。
本发明是采用多孔不锈钢管作载体，在其内表面上生长一层X型分子筛薄层。涂膜效果说明：采用无机硅铝酸盐的水基合成方法，在多孔不锈钢管的表面上能生长X型沸石分子筛。但须经6～7次甚至更多次操作才能在其内表面形成一层均匀连续的分子筛薄层。所谓均匀连续是指没有机械裂纹，没有残留的未晶化的光秃表面，其表面均被分子筛均匀覆盖。当然覆盖的分子筛并非由单一聚晶形成，而是由分子筛颗粒组成，有颗粒边界存在，因此分子筛膜是由聚晶体连生形成。
涂膜效果与载体孔径结构大小和晶化液浓度有关。小孔径载体宜选取低浓度的硅铝酸盐晶化液作涂膜溶液，以有利于分子筛前驱态凝胶进入孔口、从孔口向外生长和增强膜本身强度。延长分子筛合成时间，有利于表面沸石生长均匀。大孔载体则宜采用较高浓度的硅铝酸盐晶化液作涂膜溶液。因为大颗粒凝胶可避免分子筛在多孔载体的孔口深处生长太多而影响膜的渗透性能。孔径太小或太大，即使调节晶化液的浓度也不能得到均匀连生以及与载体结合较牢的分子筛薄层。
沸石分子筛依附在载体内表面成膜，对单位体积的载体而言能提供较大的渗透面积，而且像反应器单管一样，多根不锈钢管沸石分子筛膜可以束集在一起形成列管式膜分离或反应器，能大大增加单位体积膜过程的面积，具有实用性，适于膜过程的推广和工业化。
由于陶瓷的脆性，在陶瓷管体上形成的沸石膜在与其他组件连接时易裂易碎，不利于膜过程的工业应用。而在多孔不锈钢管载体上形成的复合分子筛膜，由于不锈钢材料具有机械强度高、不易破损、耐温耐压的特点，因此不存在异质材料连接所带来的问题。
在多孔不锈钢管内表面上生长出一层X型分子筛形成的无机复合膜，X型分子筛孔径较大，可用于较大分子混合物体系的分离，取得了较好的效果。
下面通过实施例对本发明作进一步的阐述。
【实施例1】
配制晶化液所用的药品为，硅胶30％(重量)，铝酸钠NaAlO299.9％(重量)，氢氧化钠97％(重量)和去离子水。
涂膜所用的三种晶化合成液S3、S5、S6依下述方法配制：
晶化合成液S3：称取0.746克NaOH，0.3688克NaAlO2，搅拌下分别慢慢加入15.330克去离子水中，搅拌数分钟成溶液A。称取1.8018克30％(重量)的溶胶，搅拌加入12.010克去离子水中，搅拌数分钟成溶液B。最后在搅拌下将溶液A缓慢加入溶液B，溶胶在碱性条件下水解、老化。
晶化合成液S5：称取2.560克NaOH，0.258克NaAlO2，搅拌下分别慢慢加入35.910克去离子水中，搅拌数分钟成溶液A，再称取1.2644克30％(重量)的溶胶，搅拌加入20.0422克去离子水中，搅拌数分钟成溶液B。最后在搅拌下将溶液A缓慢加入溶液B，溶胶在碱性条件下水解、老化。
晶化合成液S6：称取1.6845克NaOH，0.1158克NaAlO2，搅拌下分别慢慢加入20.420克去离子水中，搅拌数分钟成溶液A。称取0.1688克30％(重量)的溶胶，搅拌加入17.6218克去离子水中，搅拌数分钟成溶液B。最后在搅拌下将溶液A缓慢加入溶液B，溶胶在碱性条件下水解、老化。
取多孔不锈钢管，规格为φ12×1.0×L20毫米，孔径为2000埃，一端用同质多孔不锈钢材料密封，另一端与同一直径长130毫米的无孔不锈钢管相焊接。因此试验样品的长度为150毫米。在室温下，用1克当量浓度的NaOH溶液在超声波下清洗样品1小时，用去离子水洗涤至呈中性为止，室温过夜，晾干。升温至500℃，热处理2小时，自然冷却至室温。
取上述配制的晶化合成液S310毫升倒入多孔不锈钢样品管内，再将不锈钢管垂直置入耐压晶化釜中，封釜。将晶化釜移入已预热到95℃的加热烘箱中，在自生成压力下水热晶化70小时，无搅拌。合成结束后，用自来水急冷晶化釜，开盖。用去离子水在超声波下充分洗涤至载体呈中性。再程序升温热处理，以0.2℃/分的速度缓慢升温至120℃下维持4小时，再降温至室温，重复上述步骤一次。
取上述配制的晶化合成液S510毫升倒入多孔不锈钢样品管内，再将不锈钢管垂直置入耐压晶化釜中，封釜。将晶化釜移入已预热到90℃的加热烘箱中，在自生成压力下水热晶化84小时，无搅拌。合成结束后，用自来水急冷晶化釜，开盖。用去离子水在超声波下充分洗涤至载体呈中性。再程序升温热处理，以0.2℃/分的速度缓慢升温至120℃下维持4小时，再降温至室温，重复上述步骤一次。
取上述配制的晶化合成液S610毫升倒入多孔不锈钢样品管内，再将不锈钢管垂直置入耐压晶化釜中，封釜。将晶化釜移入已预热到90℃的加热烘箱中，在自生成压力下水热晶化96小时，无搅拌。合成结束后，用自来水急冷晶化釜，开盖。用去离子水在超声波下充分洗涤至载体呈中性。再程序升温热处理，以0.2℃/分的速度缓慢升温至120℃下维持4小时，再降温至室温。
重复上述步骤一次。最后一次，样品程序升温热处理是以0.5℃/分的速度缓慢升温至450℃下焙烧4小时，再降温至室温。
对晶化后的载体内表面样品小心切割，以完整的内表面置入样品池中，进行XRD表征，没有出现非晶态峰型图谱，说明载体表面上确实有一层X型分子筛薄层存在。
对晶化后的内表面样品小心切割，以完整的内表面进行SEM表征。照片中显示在多孔基材体上有一层均匀连续的分子筛层，膜厚约20微米。不锈钢管多孔体内亦有结晶体存在，作为复合膜的过渡层增加了复合膜的强度。
【实施例2】
涂膜所需的合成晶化液配制方法同实施例1。所用的多孔不锈钢样品管规格尺寸同实施例1，只是孔径为200埃。
在室温下，用1克当量浓度的HCl溶液在超声波下清洗样品1小时，用去离子水洗涤至呈中性为止，室温过夜，晾干。再用1克当量浓度的NaOH溶液在超声波下清洗样品1小时，用去离子水洗涤至呈中性为止，室温过夜，晾干。升温至500℃，热处理2小时，自然冷却至室温。
取配制的晶化合成液S310毫升倒入多孔不锈钢样品管内，再将不锈钢管垂直置入耐压晶化釜中，封釜。将晶化釜移入已预热到95℃的加热烘箱中，在自生成压力下水热晶化70小时，无搅拌。合成结束后，用自来水急冷晶化釜，开盖。用去离子水在超声波下充分洗涤至载体呈中性。再程序升温热处理，以0.2℃/分的速度缓慢升温至120℃下维持4小时，再降温至室温。
重复上述步骤七次。最后一次，样品程序升温热处理是，以0.5℃/分的速度缓慢升温至450℃下焙烧4小时，再降温至室温。
对晶化后的载体内表面样品小心切割，以完整的内表面进行XRD表征，XRD图谱显示典型的X型晶型形貌，没有出现非晶态峰型图谱。以完整的内表面及断面进行SEM表征。SEM的照片，显示在多孔基材体上有一层均匀连续的分子筛层，膜厚约30微米。不锈钢多孔体内亦有结晶体存在。
【实施例3】
涂膜所需的合成晶化液配制方法同实施例1。取多孔不锈钢管，规格为φ12×1.0×L20毫米，孔径为5000埃，一端用同质多孔不锈钢材料密封，另一端与同一直径长130毫米的无孔不锈钢管相焊接。试验样品的长度为150毫米。在室温下，用1克当量浓度的NaOH溶液在超声波下清洗样品1小时，用去离子水洗涤至呈中性为止，室温过夜，晾干。程序升温至500℃，热处理2小时，自然冷却至室温。
取上述配制的晶化合成液S310毫升倒入多孔不锈钢样品管内，再将不锈钢管垂直置入耐压晶化釜中，封釜。将晶化釜移入已预热到95℃的加热烘箱中，在自生成压力下水热晶化70小时，无搅拌。合成结束后，用自来水急冷晶化釜，开盖。用去离子水在超声波下充分洗涤至载体呈中性。再程序升温热处理，以0.2℃/分的速度缓慢升温至120℃下维持4小时，再降温至室温。重复上述步骤三次。
取上述配制的晶化合成液S610毫升倒入多孔不锈钢样品管内，再取上述S65毫升倒入晶化合成釜，再将不锈钢管垂直置入耐压晶化釜中，封釜。将晶化釜移入已预热到90℃的加热烘箱中，在自生成压力下水热晶化96小时，无搅拌。合成结束后，用自来水急冷晶化釜，开盖。用去离子水在超声波下充分洗涤至载体呈中性。再程序升温热处理，以0.2℃/分的速度缓慢升温至120℃下维持4小时，再降温至室温。
重复上述步骤一次。最后一次，样品程序升温热处理是，以0.5℃/分的速度缓慢升温至450℃下焙烧4小时，再降温至室温。
以完整的内表面及断面进行SEM表征。SEM的照片显示，在多孔基材体上有一层均匀连续的分子筛层，膜厚约15微米。不锈钢多孔体内亦有结晶体存在。
       表1单组份蒸汽的渗透通量及渗透比率，350℃
   (C4H9)3N     (C4F9)3N        通量比率
     通量P，10-7摩尔/米2.秒.帕   P(C4H9)3N/P(C4F9)3N
实施例3              不锈钢管
     410.0        237.0          1.43
       不锈钢管X型分子筛膜
     1.87       0.017           110
实施例4              不锈钢管
     360.0       248.0          1.45
       不锈钢管X型分子筛膜
     8.46       0.082          103.2
表1显示了(C4H9)3N和(C4F9)3N的单组份蒸汽渗透通过上述制备的不锈钢管分子筛膜的渗透通量。这一结果与(C4H9)3N和(C4F9)3N在X型分子筛上传统的吸附行为相一致。因为(C4H9)3N的动力学直径小于X型沸石的缝隙孔径，因而能为其吸附；由于(C4F9)3N的动力学直径大于X型沸石的孔径，因此不能被其吸附。在形成不锈钢管X型分子筛膜后，(C4H9)3N能透过，而(C4F9)3N难以透过。
【实施例4】
涂膜所需的合成晶化液配制方法同实施例1。所用的多孔不锈钢管样品管规格尺寸同
实施例3。
在室温下，用1克当量浓度的HNO3溶液在超声波下清洗样品1小时，用去离子水洗涤至呈中性为止，室温过夜，晾干。再用1克当量浓度的NaOH溶液在超声波下清洗样品1小时，用去离子水洗涤至呈中性为止，室温过夜，晾干。升温至500℃，焙烧2小时，自然冷却至室温。
取上述配制的晶化合成液S510毫升倒入多孔不锈钢样品管内，再将不锈钢管垂直置入耐压晶化釜中，封釜。将晶化釜移入已预热到95℃的加热烘箱中，在自生成压力下水热晶化70小时，无搅拌。合成结束后，用自来水急冷晶化釜，开盖。用去离子水在超声波下充分洗涤至载体呈中性。再程序升温热处理，以0.2℃/分的速度缓慢升温至120℃下维持4小时，再降温至室温。
重复上述步骤五次。最后一次，样品程序升温热处理是以0.5℃/分的速度缓慢升温至450℃下焙烧4小时，再降温至室温。
对晶化后的载体内表面样品小心切割，以完整的内表面进行XRD表征，XRD图谱显示典型的X型晶型形貌，没有出现非晶态峰型图谱。以完整的内表面及断面进行SEM表征。SEM的照片显示，在多孔基材体上有一层均匀连续的分子筛层，膜厚约25微米。不锈钢多孔体内亦有结晶体存在。
【实施例5】
涂膜所需的合成晶化液配制方法同实施例1。所用的多孔不锈钢样品管规格尺寸同实施例3。
在室温下，用1克当量浓度的HNO3溶液在超声波下清洗样品1小时，用去离子水洗涤至呈中性为止，室温过夜，晾干。再用1克当量浓度的NaOH溶液在超声波下清洗样品1小时，用去离子水洗涤至呈中性为止，室温过夜，晾干。升温至500℃，焙烧2小时，自然冷却至室温。
取上述配制的晶化合成液S310毫升倒入多孔不锈钢样品管内，取上述S35毫升倒入晶化合成釜内，再将不锈钢管垂直置入晶化合成釜中，封釜。将晶化釜移入已预热到95℃的加热烘箱中，在自生成压力下水热晶化70小时，无搅拌。合成结束后，用自来水急冷晶化釜，开盖。用去离子水在超声波下充分洗涤至载体呈中性。再程序升温热处理，以0.2℃/分的速度缓慢升温至120℃下维持4小时，再降温至室温。
取上述配制的晶化合成液S610毫升倒入多孔不锈钢样品管内，取上述S65毫升倒入晶化合成釜内，再将不锈钢管垂直置入耐压晶化釜中，封釜。将晶化釜移入已预热到90℃的加热烘箱中，在自生成压力下水热晶化96小时，无搅拌。合成结束后，用自来水急冷晶化釜，开盖。用去离子水在超声波下充分洗涤至载体呈中性。再程序升温热处理，以0.2℃/分的速度缓慢升温至120℃下维持4小时，再降温至室温。
重复上述步骤四次。最后一次，样品程序升温热处理是，以0.5℃/分的速度缓慢升温至450℃下焙烧4小时，再降温至室温。
对晶化后的载体内表面样品小心切割，以完整的内表面进行XRD表征，XRD图谱显示典型的X型晶型形貌，没有出现非晶态峰型图谱。以完整的内表面及断面进行SEM表征。SEM的照片显示，在多孔基材体上有一层均匀连续的分子筛层，膜厚约25微米。
表1中亦列出了(C4H9)3N和(C4F9)3N的蒸汽渗透通过上述制备的分子筛膜的渗透通量。这一结果与(C4H9)3N和(C4F9)3N在X型分子筛上传统的吸附行为相一致，说明在多孔不锈钢管载体上形成的X型分子筛膜均匀连续，沸石层的分子筛孔道是(C4H9)3N和(C4F9)3N透过的主要孔道。

Claims (7)

1、一种负载分子筛的多孔不锈钢管膜，以孔径为40～10000埃的多孔不锈钢管为载体，在载体上晶化生长硅铝摩尔比为2～8的X型分子筛。
2、根据权利要求1所述负载分子筛的多孔不锈钢管膜，其特征在于孔径为200～5000埃。
3、根据权利要求1所述负载分子筛的多孔不锈钢管膜的制备方法，以铝源、钠源、硅胶或硅溶胶和水为原料，反应体系的原料摩尔组成以氧化物计为：aNa2O·bAl2O3·cSiO2·dH2O，其中a/c＝1.0～13.0，c/b＝2～8，d/c＝50～1000，将一个表面覆盖的、孔径为40～10000埃的多孔不锈钢管浸于反应体系中，反应原料在50～120℃反应温度条件下，晶化3～144小时，在多孔不锈钢管上晶化生长X型分子筛。
4、根据权利要求3所述负载分子筛的多孔不锈钢管膜的制备方法，其特征在于铝源为金属铝箔、铝酸钠、硫酸铝、拟薄水铝石、硅铝酸盐或2～4个碳原子的醇铝；钠源为铝酸钠或/和氢氧化钠。
5、根据权利要求4所述负载分子筛的多孔不锈钢管膜的制备方法，其特征在于铝源为铝酸钠。
6、根据权利要求3所述负载分子筛的多孔不锈钢管膜的制备方法，其特征在于以摩尔比计a/c＝1.2～9.8；c/b＝3～5；d/c＝60～800。
7、根据权利要求3所述负载分子筛的多孔不锈钢管膜的制备方法，其特征在于反应温度为80～105℃，晶化时间为24～96小时。
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