CN106139914B - 一种分子筛膜的制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分子筛膜的制备方法及装置，属于分子筛膜制备技术领域。步骤：S1：制备晶种化支撑体。将分子筛晶种均匀分散于去离子水中，得到分子筛晶种悬浮液；将分子筛晶种涂覆在多孔支撑体外表面，并将支撑体烘干得到晶种化支撑体备用。S2：分子筛膜制备。将步骤S1得到的晶种化支撑体置于分子筛膜的制膜溶液环境中水热合成，随后定期向制膜溶液中添加新鲜制膜溶液，并排放部分反应完全的制膜溶液，反应结束后取出冷却；用去离子水洗涤并烘干，即得。该方法解决了在制备分子筛膜时因反应时间过长，导致制膜溶液营养耗尽和制膜溶液存在浓度梯度的问题，本方法合成的分子筛膜，重复性高，性能优良。

Description

一种分子筛膜的制备方法及装置

技术领域

本发明涉及一种分子筛膜的制备方法及装置，属于分子筛膜制备技术领域，尤其涉及一种长时间反应制备分子筛膜过程中补充制膜溶液的方法。本发明同样适用于其他分子筛膜的制备。

背景技术

分子筛渗透汽化膜分离技术是一种新型分离技术，具有高效节能、过程易于控制、操作方便、便于放大与产业化等优点，在新能源开发、资源优化利用和环境保护等方面发挥着越来越重要的作用，是21世纪最有前途的高新技术之一。将分子筛膜用于有机溶剂脱水的研究始于上世纪九十年代，目前已初步实现NaA分子筛膜的规模化工业应用，在全球建成约300套工业脱水装置。现有技术的分子筛膜的合成主要集中在将陶瓷支撑体垂直于反应釜中合成，但是由于分子筛膜合成过程中反应时间过长，其合成出过程中存在制膜溶液营养成分快速耗尽和制膜溶液会形成浓度梯度等问题，因此会导致成膜之后，各区域之间的膜层厚度、均匀度以及致密度不一，特别是在工业化生产时，各批次的成品之间性能有一定差异，如通量、分离因子以及微结构差异等，这也是制约其大规模工业生产的瓶颈技术之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中分子筛膜的制备过程中制膜溶液营养成分快速耗尽和制膜溶液会形成浓度梯度等问题，导致成膜之后，制得的分子筛膜的性能存在着批次差异的问题，使膜的性能受到影响。通过定时的添加制膜溶液方法，来消除制膜溶液的营养不足和浓度梯度，具体的技术方案是：

本发明的第一个方面：

一种分子筛膜的制备方法，包括如下步骤：

第1步、制备晶种化支撑体：将分子筛晶种均匀分散于去离子水中，得到分子筛晶种悬浮液；将分子筛晶种涂覆在多孔支撑体的表面，烘干后得到晶种化支撑体；

第2步，将晶种化支撑体放置于装有制膜溶液的反应釜中，进行水热合成反应，在反应过程中，向反应釜中补加制膜溶液；

第3步，反应完成后，将支撑体取出，洗涤、烘干后，得到分子筛膜。

所述的分子筛膜是一次合成时间超过10小时的分子筛膜，例如T型分子筛膜。

所述的第2步中，补加制膜溶液的操作是指：将制膜溶液加入至缓冲罐中，再将反应釜中的制膜溶液在缓冲罐和反应釜中循环流动。

所述的多孔支撑体的构型是单管式、多通道式或者平板式。

更优选地，多孔支撑体构型是采用单管式或者多通道式；分子筛晶种涂覆在多孔支撑体的外表面或者内表面。

当采用的是单管式或者多通道式支撑体，并且分子筛晶种涂覆在内表面时，从支撑体的通道一端抽吸制膜溶液后送入缓冲罐，再将缓冲罐中的溶液循环输送至支撑体的通道的另一端。

晶种化支撑体垂直地置于反应釜中。

本发明的第二个方面：

一种分子筛膜的制备装置，包括有：

制膜溶液储罐，用于放置制膜溶液；

反应釜，用于分子筛膜的水热合成反应；

废液储罐，用于存放反应完成后的由反应釜排出的制膜溶液；

其中，制膜溶液储罐与反应釜连接。

在反应釜中设置有晶种化支撑体，晶种化支撑体为垂直安装。

制膜溶液储罐上设置有第一压力表、第一压力空气进口阀及放空阀和制膜溶液进口，在制膜溶液储罐的下方设置制膜溶液储罐放料阀。

反应釜上设置有第二压力表、温度表、反应釜放空阀、在反应釜下部设置反应釜放料阀，反应釜整体处于加热系统中。

制膜溶液储罐依次通过第一输送装置和反应釜进料阀与反应釜连接。

反应釜依次通过第二输送装置和制膜废液进料阀与废液储罐连接。

废液储罐上方设置有第三压力表、第二压力空气进口阀及放空阀，在废液储罐的下方设置废液储罐放料阀。

还包括有缓冲罐，缓冲罐设置于制膜溶液储罐和反应釜相连接的管路上；并且在反应釜中还设置有制膜溶液入口和制膜溶液出口，制膜溶液入口设置于晶种化支撑体的通道的一端处，而制膜溶液出口设置于晶种化支撑体的通道的另一端处，制膜溶液出口通过负压抽吸泵与缓冲罐连接。

本发明的第三个方面：

上述的装置在制备分子筛膜中的应用。

有益效果

采用本发明技术方案合成出长度为800mm的T型分子筛膜，在70 ℃下用于分离料液为水含量为5 wt.%的乙醇/水溶液体系时，膜的分离因子>500，通量>1.0 kg·h^–1·m^–2，兼具有高的选择性和渗透通量。与现有技术相比，本发明创新地提出利用在反应过程中添加制膜溶液的方法，解决了在制备分子筛膜在合成过程中制膜溶液存在的营养不足和浓度梯度的问题，并且该方法简单、易行，应用于一次合成时间长的分子筛膜的制备时，能够使成膜均匀性提高，膜性能得到提高。利用本发明的方法合成的T型分子筛膜与现有市场分子筛膜的性能相比，重复性高，性能优良，适合规模化工业生产。

附图说明

图1为本发明的分子筛膜的制备装置示意图；

图2为本发明合成的分子筛膜的膜表面场发射式扫描电镜图；

图3为本发明合成的分子筛内膜的膜断面场发射式扫描电镜图；

图4是另一种制备装置图。

其中，1、第一压力空气进口阀及放空阀；2、第一压力表；3、制膜溶液储罐；4、制膜溶液储罐放料阀；5、第一输送装置；6、反应釜进料阀；7、反应釜放空阀；8、温度表；9、第二压力表；10、加热系统；11、反应釜；12、晶种化支撑体；13、反应釜放料阀；14、第二输送装置；15、制膜废液进料阀；16、第三压力表；17、废液储罐；18、废液储罐放料阀；19、第二压力空气进口阀及放空阀；20、缓冲罐；21、负压抽吸泵；22、制膜溶液入口；23、制膜溶液出口。

具体实施方式

本发明所制备分子筛膜所用的支撑体的构型一般为管式的，例如单管、多通道式，也可以采用板式的支撑体，只要将支撑体能够固定于反应釜中，即可实现本发明的技术方案，构型的选择可以根据工程实际进行选取，但是为了合成分子筛膜更加方便，最好采用的是单管或者多通道式的支撑体，其可以保证易于实行支撑体的转动装置、膜管的安装更加方便，以及具有一定的机械强度和装填密度。支撑体可以采用常规的材质，例如陶瓷材料、金属材料或有机高分子材料。制膜溶液和制膜废液的输送可以通过输送泵的方法实现。分子筛膜的制膜溶液可以通过常规的方法制得，例如：将铝源和氢氧化钠、氢氧化钾、去离子水中充分搅拌，得到澄清的含铝的溶液时，加入硅源溶液，搅拌至溶液呈均相，所得到的溶液为合成分子筛膜的制膜溶液，本发明的方法适用于合成时间较长的T型分子筛膜的制备，也适用其它的分子筛膜的水热合成过程。所述的支撑体优选为单管状或多通道状构形。所述的支撑体厚度优选在0.05~2mm之间，更优选0.1~3mm。利用涂晶法将分子筛晶种涂覆在在多孔管状支撑体外表面或者内表面。

本发明所采用的装置结构如图1所示，包括反应釜11、制膜溶液储罐3和废液储罐17，反应釜11是用于将支撑体在制膜溶液的环境中进行水热合成反应，制膜溶液储罐3用于存放制膜溶液并定期补入反应釜11中，制膜溶液储罐3上设置有：第一压力表2、第一压力空气进口阀及放空阀1和制膜溶液进口，在制膜溶液储罐3的下方设置制膜溶液储罐放料阀4；制膜溶液储罐3通过第一输送装置5、反应釜进料阀6与反应釜11连接，用于将在反应过程中将储罐中的制膜溶液送入反应釜11中。对于制备T型分子筛膜，在反应过程中使制膜溶液的浓度保持稳定有助于使形成的分子筛膜层的均匀性，使分离效果和耐久性得到提高。

在反应釜11上设置有第二压力表9、温度表8、反应釜放空阀7，在反应釜11下部设置反应釜放料阀13，反应釜11整体处于加热系统10中。在反应釜11中设置有晶种化支撑体12，晶种化支撑体12为垂直安装。

反应釜11通过第二输送装置14与废液储罐17相连接，用于将反应完成的废液送入废液储罐17中，上方设置有第三压力表16、第二压力空气进口阀及放空阀19，在废液储罐17的下方设置废液储罐放料阀18。

空气进口主要用于向制膜溶液储罐中充入压缩空气以使制膜溶液储罐压力和反应釜中压力平衡。当压力平衡后通过第一输送装置5将制膜溶液输送至反应釜中。制膜废液储罐中同样设置压力表16和压力空气进口和放空口19，同样利用充入压缩空气平衡与反应釜的压力。

在另外一个改进的实施方式中，装置结构如图4所示，主要是在装置中还包括有缓冲罐20，缓冲罐20设置于制膜溶液储罐3和反应釜11相连接的管路上；并且在反应釜11中还设置有制膜溶液入口22和制膜溶液出口23，制膜溶液入口22设置于晶种化支撑体12的通道的一端处，而制膜溶液出口23设置于晶种化支撑体12的通道的另一端处，制膜溶液出口23通过负压抽吸泵21与缓冲罐20连接。对于管式支撑体进行内膜制备时，由于内膜位于管道内部，与主体的制膜液环境接触效果不好，本发明中通过在管道的两端分别设置料液入口和料液出口，在合成的过程中，首先通过制膜溶液储罐3将制膜液送入缓冲罐20中，再通过负压抽吸泵21直接将支撑体管道内部的制膜液吸出，送入缓冲罐20中进行与新制膜液的交换，再通过缓冲罐20将新的制膜液通过料液入口直接送入到支撑体孔道的内部，通过这种外加缓冲装置的方式可以解决管式支撑体内膜合成中的补加制膜液的问题。

实施例1

步骤1：晶种化支撑体的制备

如图1所示，称取T型分子筛晶种10 g，分散于990 g去离子水中，并盛放在搅拌器上的晶种罐中，搅拌并超声，得到分子筛晶种悬浮液；将固定于支撑体支架的支撑体浸入晶种悬浮液中5s后支撑体支架取出,在支撑体外表面涂覆晶种，再放入烘箱中烘干，备用。

步骤2：制备T型分子筛膜

将偏铝酸钠加入氢氧化钠、氢氧化钾和去离子水充分搅拌，形成铝溶液，搅拌后形成制备T型分子筛膜的制膜溶液。将晶种化的支撑体12垂直固定于反应釜11中上，加入制膜溶液，密封反应釜，随后开启加热系统10使制膜溶液温度达到100℃下进行水热合成。反应48h后取出，每反应1小时，添加部分新鲜制膜溶液至制膜溶液储罐，开启压力空气进口阀1，使制膜溶液储罐中压力和反应釜压力平衡，随后开启制膜溶液储罐放料阀4和反应釜制膜溶液进料阀6，开启第一输送装置5，将新鲜制膜溶液输送至反应釜中，关闭上述两阀门，同时放空制膜溶液储罐中压力。随后向制膜废液储罐17中充入压力使其与反应釜压力平衡，开启反应釜放料阀13和制膜废液进料阀15，第二输送装置14，将部分制膜废液输送至制膜废液储罐17中，关闭上述两阀门，同时放空制膜废液储罐中压力，排尽储罐17中废液。每隔1h，重复上述操作一次。直至反应结束。反应结束冷却后，用去离子水清洗膜管，随后50℃烘干。

实施例2

步骤1：晶种化支撑体的制备

如图1所示，称取T型分子筛晶种10 g，分散于990 g去离子水中，并盛放在搅拌器上的晶种罐中，搅拌并超声，得到分子筛晶种悬浮液；将固定于支撑体支架的支撑体浸入晶种悬浮液中5s后支撑体支架取出，采用的是涂内膜的方式，在管式支撑体的内壁上形成晶种，再放入烘箱中烘干，备用。

步骤2：制备T型分子筛膜

将偏铝酸钠加入氢氧化钠、氢氧化钾和去离子水充分搅拌，形成铝溶液，搅拌后形成制备T型分子筛膜的制膜溶液。将晶种化的支撑体12垂直固定于反应釜11中上，加入制膜溶液，密封反应釜，随后开启加热系统10使制膜溶液温度达到100℃下进行水热合成。反应60h后取出，每反应5小时，添加部分新鲜制膜溶液至制膜溶液储罐，开启压力空气进口阀1，使制膜溶液储罐中压力和反应釜压力平衡，随后开启制膜溶液储罐放料阀4和反应釜制膜溶液进料阀6，开启第一输送装置5，将新鲜制膜溶液输送至反应釜中，关闭上述两阀门，同时放空制膜溶液储罐中压力。随后向制膜废液储罐17中充入压力使其与反应釜压力平衡，开启反应釜放料阀13和制膜废液进料阀15，第二输送装置14，将部分制膜废液输送至制膜废液储罐17中，关闭上述两阀门，同时放空制膜废液储罐中压力，排尽储罐17中废液。每隔5h，重复上述操作一次。直至反应结束。反应结束冷却后，用去离子水清洗膜管，随后50℃烘干用于表征和渗透汽化实验。

实施例3

与实施例2的区别是：采用了如图4所示的装置。

步骤1：晶种化支撑体的制备

如图1所示，称取T型分子筛晶种10 g，分散于990 g去离子水中，并盛放在搅拌器上的晶种罐中，搅拌并超声，得到分子筛晶种悬浮液，其晶种悬浮液浓度为10g/L；将固定于支撑体支架的支撑体浸入晶种悬浮液中5s后支撑体支架取出，采用的是涂内膜的方式，在管式支撑体的内壁上形成晶种，再放入烘箱中烘干，备用。

步骤2：制备T型分子筛膜

将偏铝酸钠加入氢氧化钠、氢氧化钾和去离子水充分搅拌，形成铝溶液，强烈搅拌后形成制备T型分子筛膜的制膜溶液。将晶种化的支撑体12垂直固定于反应釜11中上，加入制膜溶液，密封反应釜，随后开启加热系统10使制膜溶液温度达到100℃下进行水热合成。反应60h后取出，每反应5小时，添加部分新鲜制膜溶液至制膜溶液储罐，开启第一输送装置5，将新鲜制膜溶液输送至缓冲罐20中，再同时启动负压抽吸泵21，使制膜溶液在制膜溶液入口22、制膜溶液出口23和支撑体12的内部孔道循环流动，在第一输送装置5的作用下，制膜溶液总体上向反应釜11中流动，实现制膜溶液的补加，随后向制膜废液储罐17中充入压力使其与反应釜压力平衡，开启反应釜放料阀13和制膜废液进料阀15，第二输送装置14，将部分制膜废液输送至制膜废液储罐17中，关闭上述两阀门，同时放空制膜废液储罐中压力，排尽储罐17中废液。每隔5 h，重复上述操作一次。直至反应结束。反应结束冷却后，用去离子水清洗膜管，随后50℃烘干用于表征和渗透汽化实验。

对照例1

用与实施例1相同的支撑体，用相同涂晶法制备5根分子筛膜，作为对照。该对照方法不采用补加制膜液，制备步骤如下：步骤1：同实施例1。步骤2：将偏铝酸钠加入氢氧化钠、氢氧化钾和去离子水充分搅拌，形成铝溶液，强烈搅拌后形成制备T型分子筛膜的制膜溶液。将晶种化的支撑体垂直固定在反应釜中，开启加热系统使制膜溶液温度达到100℃下进行水热合成，晶化60 h后取出。过程中不添加新鲜制膜溶液。冷却后，用去离子水清洗膜管至清洗液的pH=7，随后100℃烘干用于表征和渗透汽化实验。该方法重复5次。

将实施例1～实施例3和对照例1所得的T分子筛进行渗透汽化，试验条件是：操作温度70 ℃，分离体系是5 wt.%的乙醇/水溶液。所得结果如下所示。

本发明所合成膜的渗透汽化性能较优，实施例1～实施例3所合成的膜中分离因子均>500，通量>1 kg·h^–1·m^–2。而利用传统方法对照例1很难达到。特别是分离因子的RSD，采用本发明的方法只有6.16～7.68%，而采用传统方法对照例1达到了72.95%。而实施例3相对于实施例2来说，通过使用直接对于支撑体管道口处设置制膜溶液出口和入口，并通过缓冲罐和负压抽吸装置进行内循环，有效地提高了在制备分子筛内膜时的成膜均匀性，提高了分离因子，并减小了RSD。

制备得到的T型分子筛膜的场发射式扫描电镜图如图2和图3所示，从图中可以看出，制备得到的分子筛膜层均匀、完整无缺陷。

将实施例1～实施例3和对照例1所得的T分子筛进行酸性体系的渗透汽化脱水试验，试验条件是：操作温度70 ℃，分离体系是58 wt.%乙酸乙酯、31 wt.%乙酸、11 wt.%水。在第10小时内和第30小时内所得平均通量和分离因子结果如下所示。

从上表中可以看出，本发明的方法可以制备到T型分子筛膜，对照例1中由于采用了传统方法未补入制膜溶液，导致膜层在合成过程的均匀性不好，在酸性条件下运行后，容易导致分离性能的下降；实施例3相对于实施例2来说，在制备过程中通过内循环制膜溶液补入，可以提高对于内膜合成中的膜层均匀性。

Claims (2)

1.一种分子筛膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：第1步、制备晶种化支撑体：将分子筛晶种均匀分散于去离子水中，得到分子筛晶种悬浮液；将分子筛晶种涂覆在多孔支撑体的表面，烘干后得到晶种化支撑体；第2步，将晶种化支撑体放置于装有制膜溶液的反应釜中，进行水热合成反应，在反应过程中，向反应釜中补加制膜溶液；第3步，反应完成后，将支撑体取出，洗涤、烘干后，得到分子筛膜；采用的是单管式或者多通道式支撑体，并且分子筛晶种涂覆在内表面时，从支撑体的通道一端抽吸制膜溶液后送入缓冲罐，再将缓冲罐中的溶液循环输送至支撑体的通道的另一端；所述的第2步中，补加制膜溶液的操作是指：定时将新鲜制膜溶液输送至缓冲罐中，再将反应釜中的制膜溶液在缓冲罐和反应釜中循环流动，以消除制膜溶液的营养不足和浓度梯度。

2.根据权利要求1所述的分子筛膜的制备方法，其特征在于，晶种化支撑体垂直地置于反应釜中；所述的分子筛膜是一次合成时间超过10小时的分子筛膜。