CN103349923B - 一种硅氮烷改性介孔分子筛/pdms杂化复合膜的制备方法及应用 - Google Patents
一种硅氮烷改性介孔分子筛/pdms杂化复合膜的制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
一种硅氮烷改性介孔分子筛/PDMS杂化复合膜的制备方法及应用,属于膜分离技术领域。其步骤包括:采用硅烷偶联剂在加热冷凝回流条件下对介孔分子筛进行疏水改性;将工业化聚砜(PSf)基膜用去离子水清洗后,置于乙醇/水溶液中浸泡一段时间,烘干待用;将改性后的介孔分子筛按一定比例掺杂到PDMS中,使用涂覆或浸渍的方法在基膜上制备成杂化复合膜。本发明利用介孔分子筛规整的孔结构和孔道的可修饰特点,易于实现氮硅烷对其疏水改性,有利于醇分子在膜表面的吸附及在分子筛孔道内的传质扩散,从而提高杂化膜的分离性能。同时本发明制备工艺简单,介孔分子筛与基膜材料廉价易得,在工业化应用中具有广阔的前景。
Description
技术领域
本发明属于膜分离技术领域,特别涉及利用硅氮烷偶联剂对介孔分子筛进行疏水改性以及渗透汽化优先透醇杂化复合膜的制备及应用。
背景技术
现阶段,有机/无机杂化膜因兼具有机与无机两种组分的优势成为渗透汽化膜分离领域的研究热点之一。将无机粒子引入到有机网络中可以有效改善有机聚合物膜机械强度低、耐溶剂性差等缺点,并且通过对无机粒子的疏水改性可以进一步提高膜的分离性能。目前研究较多的是在PDMS中掺杂ZSM-5、Silicalite-1等微孔沸石分子筛制备有机/无机渗透汽化优先透醇杂化膜,但由于微孔分子筛的孔径较小,较高的填充量会增加醇分子在膜中的传质阻力导致渗透通量降低。介孔分子筛相比于微孔分子筛具有规整的孔结构和较大的孔道,可大大降低醇分子通过孔道的传质阻力,并易于实现孔道内表面的疏水改性。
疏水改性可以降低分子筛的表面极性,减小对水的吸附能力,增强疏水性。研究中多采用硅氧烷、氯硅烷等偶联剂对分子筛进行烷基化疏水改性,对硅氮烷应用较少。采用硅氮烷对分子筛烷基化修饰时,由于硅氮烷空间位阻较小,可以在相对温和的条件下对分子筛内外表面充分改性,并且在反应过程中产生的副产物氨气可及时逸出,也有利于疏水改性反应的顺利进行。
本发明的关键在于采用硅氮烷对介孔分子筛进行疏水改性,并将其掺杂在PDMS中制备铸膜液,涂覆在聚砜基膜上制备出用于优先透醇的渗透汽化有机/无机杂化复合膜。
发明内容
本发明的目的在于制备一种硅氮烷改性介孔分子筛/PDMS杂化复合膜,进一步提高有机/无机杂化复合膜的分离性能。
一种硅氮烷改性介孔分子筛/PDMS杂化复合膜的制备方法及应用,其特征在于,包括以下步骤:
(1)介孔分子筛疏水改性方法:称取介孔分子筛平铺于瓷舟中,将其置于马弗炉中,程序升温2h至180-220℃,保温1h,冷却,去除分子筛中的水分;将其分散于有机溶剂中,超声分散得到悬浮液;将悬浮液倒入反应瓶中,通入氮气15-30min,排出烧瓶中的空气,搅拌,加热,冷凝回流,升温至80-120℃,稳定后,加入硅氮烷偶联剂,反应8-12h,反应完毕后,将含有改性分子筛的悬浮液倒出,用有机溶剂反复清洗改性介孔分子筛,将未反应的硅氮烷偶联剂除去,烘干,研磨;
(2)聚砜膜的处理方法:将工业化PS膜用去离子水清洗后,置于乙醇质量含量为30%的乙醇/水溶液中浸泡12-24h,取出,烘干,待用;
(3)有机/无机杂化复合膜的制备:首先,将PDMS溶于有机溶剂中,搅拌1-2h,然后加入步骤(1)所得疏水改性介孔分子筛,分子筛与PDMS的质量比例为1:20-3:10,超声分散得到悬浮液,将交联剂、催化剂滴加到以上配制的悬浮液中,搅拌均匀,其中PDMS、交联剂、催化剂的质量比为(1-3):(0.1-0.5):(0.005-0.02),优选1:0.1:0.005;利用浸渍法或涂覆法将铸膜液复合至经步骤(2)预处理的基膜上,置于干燥的空气中自然晾干,在90℃的烘箱中干燥8-12h。
步骤(1)中所述的硅氮烷偶联剂优选为1,1,3,3-四甲基二硅氮烷、1,3-二正辛基四甲基硅氮烷中的任意一种。
步骤(1)中所述的介孔分子筛优选为SBA-15-1、SBA-15-2、MCM-41中的任意一种。
步骤(1)中所述的介孔分子筛与硅氮烷偶联剂的质量比优选为1:0.25-1:2之间。
步骤(1)中所述的有机溶剂为正庚烷、乙醇、正己烷、环己烷中的任意一种。
步骤(3)中所述的PDMS的黏度优选在3000mPa·S-10000mPa·S之间。
步骤(3)中所述的有机溶剂优选为甲苯、氯苯、正庚烷的任意一种。
步骤(3)中所述的交联剂优选为正硅酸乙酯和辛基三甲氧基硅烷中的任意一种。
步骤(3)中所述的催化剂优选为二丁基锡月桂酸。
本发明的关键在于使用不同的硅氮烷对工业化生产的介孔分子筛进行疏水改性,由长链烷基(-CH2R)取代内外表面的硅羟基(-SiOH),从而使介孔分子筛的接触角发生明显变化。另外,通过对改性前后的分子筛进行BET测试,其孔径分布发生明显变化。改性后的介孔分子筛带有疏水烷基,可增加对醇分子的选择性,并大大提高介孔分子筛/PDMS杂化复合膜的渗透通量。本发明制备的介孔分子筛/PDMS杂化复合膜工艺简单,对醇/水体系分离具有较高的通量,尤其是对正丁醇/水体系的分离效果尤为突出,在工业化应用中具有广阔的前景。
附图说明
图1为分别采用1,1,3,3-四甲基二硅氮烷、1,3-二正辛基四甲基二硅氮烷疏水改性介孔分子筛MCM-41的接触角变化图;
图2为介孔分子筛MCM-41采用1,1,3,3-四甲基二硅氮烷、1,3-二正辛基四甲基二硅氮烷改性前后孔径分布图;
其中(a)对应介孔分子筛MCM-41、(b)对应采用1,1,3,3-四甲基二硅氮烷改性的介孔分子筛MCM-41、(c)对应采用1,3-二正辛基四甲基二硅氮烷改性的介孔分子筛MCM-41。
具体实施方式
以下结合部分的实例对本发明的技术方案做具体的说明,以下实施例并未包含全部发明内容。
实施例1
(1)称取一定量的介孔分子筛MCM-41平铺于瓷舟中,将其置于马弗炉中,程序升温2h至200℃,保温1h,冷却,去除分子筛中的水分。称取2.0g去水介孔分子筛,分散于乙醇中,超声30min,使其充分分散。将悬浮液倒入反应瓶中,通入氮气15-30min,排出烧瓶中的空气。搅拌,加热,冷凝回流,升温至80℃,稳定后,加入0.5g1,1,3,3-四甲基二硅氮烷,反应8h。反应完毕后,将含有改性分子筛的悬浮液倒出,用乙醇反复清洗改性介孔分子筛,将未反应的硅氮烷偶联剂除去。置于50℃的烘箱中烘干,研磨。
(2)将工业化PS膜用去离子水清洗后,置于乙醇含量为30%的乙醇/水溶液中浸泡24h,取出,置于50℃的烘箱中,烘干,待用。
(3)称取1.0g黏度为3000mPa·S的PDMS溶于正庚烷中,搅拌1-2h,称取0.1g疏水改性介孔分子筛MCM-41,分散于PDMS/正庚烷中,超声30min,按比例(PDMS:交联剂:催化剂的质量比为1:0.1:0.005)将交联剂正硅酸乙酯、催化剂滴加到以上配制的悬浮液中,高速搅拌1h。利用浸渍法将铸膜液复合至经预处理的基膜上,置于干燥的空气中自然晾干,在90℃的烘箱中干燥8h。
将上述制备的杂化膜分别用于乙醇含量为5%的乙醇/水溶液和正丁醇含量为3%的正丁醇/水溶液的分离,其内容如下:
将制备的优先透醇杂化膜装入渗透汽化装置的膜池中,料液瓶中装入原料液,加热至温度稳定,收集瓶放入装有液氮的保温杯中,打开真空泵,膜下游侧的渗透蒸汽被冷凝收集,通过称量收集瓶的重量及用气相色谱分析透过液中乙醇(正丁醇)浓度,从而得到杂化膜的分离性能。
表1 不同温度下实施例1优先透乙醇性能测试结果
表2 不同温度下实施例1优先透正丁醇性能测试结果
实施例2
(1)称取一定量的介孔分子筛MCM-41平铺于瓷舟中,将其置于马弗炉中,程序升温2h至200℃,保温1h,冷却,去除分子筛中的水分。称取2.0g去水介孔分子筛,分散于正庚烷中,超声30min,使其充分分散。将悬浮液倒入反应中,通入氮气15-30min,排出烧瓶中的空气。搅拌,加热,冷凝回流,升温至100℃,稳定后,加入1.0g1,3-二正辛基四甲基硅氮烷,反应10h。反应完毕后,将含有改性分子筛的悬浮液倒出,用正庚烷反复清洗改性介孔分子筛,将未反应的硅氮烷偶联剂除去。置于50℃的烘箱中烘干,研磨。
(2)将工业化PS膜用去离子水清洗后,置于乙醇含量为30%的乙醇/水溶液中浸泡12h,取出,置于50℃的烘箱中,烘干,待用。
(3)称取1.0g黏度为3000mPa·S的PDMS溶于甲苯中,搅拌1-2h,称取0.3g改性介孔分子筛MCM-41,分散于PDMS/甲苯溶液中,超声30min,按比例(PDMS:交联剂:催化剂的质量比为2:0.1:0.01)将交联剂辛基三甲氧基硅烷、催化剂滴加到以上配制的悬浮液中,高速搅拌1h。然后将预处理的PS基膜固定于玻璃板上,利用涂覆法将铸膜液复合至经预处理的基膜上,置于干燥的空气中自然晾干,在90℃的烘箱中干燥10h。
将上述制备的杂化膜分别用于乙醇质量含量为5%的乙醇/水溶液和正丁醇质量含量为3%的正丁醇/水溶液的分离,其内容如下:
热至温度稳定,收集瓶放入装有液氮的保温杯中,打开真空泵,膜下游侧的渗透蒸汽被冷凝收集,通过称量收集瓶的重量及用气相色谱分析透过液中乙醇(正丁醇)浓度,从而得到杂化膜的分离性能。
对于浓度为5%的乙醇/水溶液,操作温度在40-60℃范围内,膜的分离因子在7.02-8.41之间,通量在1000-3000g/(m2h)范围内。对于浓度为3%的正丁醇/水溶液,操作温度在40-60℃范围内,膜的分离因子为在48-63之间,通量在700-1800g/(m2h)范围内。
实施例3
(1)称取一定量的介孔分子筛SBA-15-1平铺于瓷舟中,将其置于马弗炉中,程序升温2h至200℃,保温1h,冷却,去除分子筛中的水分。称取2.0g去水介孔分子筛,分散于乙醇中,超声30min,使其充分分散。将悬浮液倒入反应瓶中,通入氮气15-30min,排出烧瓶中的空气。搅拌,、加热,冷凝回流,升温至80℃,稳定后,加入1.0g 1,3-二正辛基四甲基硅氮烷,反应8h。反应完毕后,将含有改性分子筛的悬浮液倒出,用乙醇反复清洗改性介孔分子筛,将未反应的硅氮烷偶联剂除去。置于50℃的烘箱中烘干,研磨。
(2)将工业化PS膜用去离子水清洗后,置于乙醇含量为30%的乙醇/水溶液中浸泡20h,取出,置于50℃的烘箱中,烘干,待用。
(3)称取1.0g黏度为10000mPa·S的PDMS溶于正庚烷中,搅拌1-2h,称取0.1g疏水改性介孔分子筛SBA-15-1,分散于PDMS/正庚烷溶液中,超声30min,按比例(PDMS:交联剂:催化剂的质量比为2:0.2:0.01)将交联剂辛基三甲氧基硅烷、催化剂滴加到以上配制的悬浮液中,高速搅拌1h。利用浸渍法将铸膜液复合至经预处理的基膜上,置于干燥的空气中自然晾干,在90℃的烘箱中干燥12h。
将上述制备的杂化膜分别用于乙醇含量为5%的乙醇/水溶液和正丁醇含量为3%的正丁醇/水溶液的分离,其内容如下:
将制备的优先透醇杂化膜装入渗透汽化装置的膜池中,料液瓶中装入原料液,加热至温度稳定,收集瓶放入装有液氮的保温杯中,打开真空泵,膜下游侧的渗透蒸汽被冷凝收集,通过称量收集瓶的重量及用气相色谱分析透过液中乙醇(正丁醇)浓度,从而得到杂化膜的分离性能。
对于浓度为5%的乙醇水溶液,操作温度在40-60℃范围内,膜的分离因子在6.98-8.41之间,通量在982-2800g/(m2h)范围内。对于浓度为3%的正丁醇水溶液,操作温度在40-60℃范围内,膜的分离因子在50-62之间,通量在760-1800g/(m2h)范围内。
实施例4
(1)称取一定量的介孔分子筛SBA-15-2平铺于瓷舟中,将其置于马弗炉中,程序升温2h至200℃,保温1h,冷却,去除分子筛中的水分。称取2.0g去水介孔分子筛,分散于乙醇中,超声30min,使其充分分散。将悬浮液倒入反应瓶中,通入氮气15-30min,排出烧瓶中的空气。搅拌,加热,冷凝回流,升温至100℃,稳定后,加入4.0g1,3-二正辛基四甲基硅氮烷,反应8h。反应完毕后,将含有改性分子筛的悬浮液倒出,用正庚烷反复清洗改性介孔分子筛,将未反应的硅氮烷偶联剂除去。置于50℃的烘箱中烘干,研磨。
(2)将工业化PS膜用去离子水清洗后,置于乙醇含量为30%的乙醇/水溶液中浸泡24h,取出,置于50℃的烘箱中,烘干,待用。
(3)称取1.0g黏度为3000mPa·S的PDMS溶于氯苯中,搅拌1-2h,称取0.2g疏水改性介孔分子筛SBA-15-2,分散于PDMS/氯苯溶液中,超声30min,按比例(PDMS:交联剂:催化剂的质量比为1:0.1:0.005)将交联剂正硅酸乙酯、催化剂滴加到以上配制的悬浮液中,高速搅拌1h。利用浸渍法将铸膜液复合至经预处理的基膜上,置于干燥的空气中自然晾干,在90℃的烘箱中干燥12h。
将上述制备的杂化膜分别用于乙醇含量为5%的乙醇/水溶液和正丁醇含量为3%的正丁醇/水溶液的分离,其内容如下:
将制备的优先透醇杂化膜装入渗透汽化装置的膜池中,料液瓶中装入原料液,加热至温度稳定,收集瓶放入装有液氮的保温杯中,打开真空泵,膜下游侧的渗透蒸汽被冷凝收集,通过称量收集瓶的重量及用气相色谱分析透过液中乙醇(正丁醇)浓度,从而得到杂化膜的分离性能。
对于浓度为5%的乙醇/水溶液,操作温度在40-60℃范围内,膜的分离因子在6.85-7.86之间,通量在1201-2860g/(m2h)范围内。对于浓度为3%的正丁醇/水溶液,操作温度在40-60℃范围内,膜的分离因子在51-61之间,通量在850-2000g/(m2h)范围内。
Claims (6)
1.一种硅氮烷改性介孔分子筛/PDMS杂化复合膜在正丁醇/水体系优先透醇方面的应用,所述硅氮烷改性介孔分子筛/PDMS杂化复合膜制备方法包括以下步骤:
(1)介孔分子筛疏水改性方法:称取介孔分子筛平铺于瓷舟中,将其置于马弗炉中,程序升温2h至180-220℃,保温1h,冷却,去除分子筛中的水分;将去水介孔分子筛分散于有机溶剂中,超声使其充分分散,得悬浮液;将悬浮液倒入反应瓶中,通入氮气15-30min,排出烧瓶中的空气,搅拌,加热,冷凝回流,升温至80-120℃,稳定后,加入硅氮烷偶联剂,反应8-12h,反应完毕后,将含有改性分子筛的悬浮液倒出,用有机溶剂反复清洗改性介孔分子筛,将未反应的硅氮烷偶联剂除去,烘干,研磨;
(2)聚砜膜的处理方法:将工业化PS膜用去离子水清洗后,置于乙醇质量含量为30%的乙醇/水溶液中浸泡12-24h,取出,烘干,待用;
(3)有机/无机杂化复合膜的制备:首先,将PDMS溶于有机溶剂中,搅拌1-2h,然后加入步骤(1)所得疏水改性介孔分子筛,疏水改性介孔分子筛与PDMS的质量比例为1:20-3:10,超声分散得到悬浮液,将交联剂、催化剂滴加到以上配制的悬浮液中,搅拌均匀,其中PDMS、交联剂、催化剂的质量比为1-3:0.1-0.5:0.005-0.02;利用浸渍法或涂覆法将铸膜液复合至经步骤(2)预处理的基膜上,置于干燥的空气中自然晾干,在90℃的烘箱中干燥8-12h;
步骤(1)中所述的介孔分子筛为SBA-15-1、SBA-15-2、MCM-41中的任意一种;
步骤(1)中所述的硅氮烷偶联剂为1,1,3,3-四甲基二硅氮烷、1,3-二正辛基四甲基硅氮烷中的任意一种;
步骤(1)中所述的介孔分子筛与硅氮烷偶联剂的质量比为1:0.25-1:2之间。
2.按照权利要求1的一种硅氮烷改性介孔分子筛/PDMS杂化复合膜在正丁醇/水体系优先透醇方面的应用,其特征在于,步骤(1)中所述的有机溶剂为正庚烷、乙醇、正己烷、环己烷中的任意一种。
3.按照权利要求1的一种硅氮烷改性介孔分子筛/PDMS杂化复合膜在正丁醇/水体系优先透醇方面的应用,其特征在于,步骤(3)中所述的PDMS的黏度在3000mPa·S-10000mPa·S之间。
4.按照权利要求1的一种硅氮烷改性介孔分子筛/PDMS杂化复合膜在正丁醇/水体系优先透醇方面的应用,其特征在于,步骤(3)中所述的有机溶剂为甲苯、氯苯、正庚烷的任意一种。
5.按照权利要求1的一种硅氮烷改性介孔分子筛/PDMS杂化复合膜在正丁醇/水体系优先透醇方面的应用,其特征在于,步骤(3)中所述的交联剂为正硅酸乙酯和辛基三甲氧基硅烷中的任意一种。
6.按照权利要求1的一种硅氮烷改性介孔分子筛/PDMS杂化复合膜在正丁醇/水体系优先透醇方面的应用,其特征在于,步骤(3)中所述的催化剂为二丁基锡月桂酸。
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