CN109012196A - 一种连续流动体系中动态合成的中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜及其合成方法 - Google Patents
一种连续流动体系中动态合成的中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜及其合成方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法及其所制备的中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜,包括以下步骤:陶瓷支撑体预处理;配制晶种悬浮液;在中空纤维内壁涂覆晶种层;配制合成液;在料液循环流动的装置中动态合成分子筛膜层,最终经后处理得到NaA型分子筛渗透汽化膜。本发明的优点在于:对支撑体表面及晶种层质量宽容度高,膜的渗透汽化分离性能优良,膜层均匀性良好可达到的有效长度较长,具有显著的工业实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及分子筛膜的合成,具体涉及一种在连续定向流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法以及所合成得到的中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜。
背景技术
无机分子筛材料因其优良的理化特性被广泛地制备成膜层的形式应用于膜分离领域。相比于其它无机材料的分离膜,分子筛膜的孔道结构整齐均一,孔道尺寸因分子筛类型而异且与许多重要工业原料的分子尺寸相近,加上其催化活性以及良好的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性,因此在气体分离、渗透汽化分离、膜反应器、传感器等众多领域都有着广阔的应用前景。在各种类型的分子筛膜中,NaA型分子筛膜因其较低的硅铝比而拥有优异的亲水性能,加之0.41nm的孔道尺寸(大于水分子直径,小于大部分有机分子直径)非常适用于有机物溶液的脱水。目前,NaA型分子筛膜是唯一已经工业化的渗透汽化分子筛膜。
商用分子筛膜的分离层均制备于管状支撑体的外壁,而相比之下,将分离层合成于管状支撑体内壁却拥有诸多优势:1)分离层可以被很好的保护从而避免机械损伤,尤其是在膜组件装配过程中;2)因支撑体和分子筛层之间热膨胀系数差异所造成的膜层开裂等不利影响可以被部分消除;3)流体在支撑体内腔的流动为典型的管流,流动状态单一,在工业放大后膜组件内的传质效率不受其中膜管分布状况的影响。但目前针对在支撑体内壁合成分子筛膜的研究却非常有限。
在已见诸报道的研究中,Tiscareno-Lechuga等(J.Membr.Sci.212(2003)135-146)设计了一种和离心泵原理相同的合成装置,利用剪切力实现支撑体内部合成液的更新,同时离心力也促进了分子筛晶体在内壁的沉积,所合成的NaA分子筛膜对乙醇水的分离因子为130,通量为2.5kg/m2·h;Pera-Tirus等(J.Membr.Sci.278(2006)401-409)在合成液定期更新的半连续体系内制备出分离因子大于10000,通量为0.50kg/m2·h的NaA分子筛膜;随后,他们在合成过程中利用进出料口间的液位差,使合成液在重力作用下实现了连续流动,所制备的NaA分子筛膜,对乙醇水的分离因子为8500,通量为1.2kg/m2·h(Sep.Purif.Technol.59(2008)141-150);Aguado等(Micropor.Mesopor.Mat.120(2009)170-176)使用连续流动循环体系原位水热合成了厚度为5μm的NaA分子筛膜,但其对异丙醇水体系的分离因子仅为41。但以上关于内壁分子筛膜合成的报道均是以内径尺寸为7mm的管式多孔陶瓷为支撑体,大尺寸的支撑体一方面渗透阻力大,所制备的分子筛膜透过通量较低,另一方面在组件中的装填密度低,非常不利于生产成本的降低。因此中空纤维式的小尺寸支撑体的使用可以极大的提高设备的处理量、降低生产成本。但受到小尺寸支撑体内腔空间的限制,无论是在其内壁涂覆有效的晶种层,还是确保合成过程中料液在其中充足且均匀,难度很高。
中国专利“一种支撑体内壁合成NaA分子筛膜的方法”(公开号CN102583430A)使用了小尺寸(内径1~5mm)氧化铝管作为支撑体,制备过程中向晶种液中加入了与合成液组成相类似的清液作为胶黏剂,通过改善晶种层质量辅以动态水热合成法在支撑体内壁制备出了性能良好的NaA分子筛膜,对乙醇水体系的分离因子高于10000,通量可达6.9kg/m2·h。其发明侧重点在于合成过程中晶种层质量的提高,对于提升支撑体内部合成液的交换则主要通过均相反应器中合成釜的旋转来实现,这对合成工业所需要的具有较高有效长度的分子筛膜管仍存在诸多限制。
发明内容
为了解决小管径支撑体内腔空间小造成的合成液不能及时更新的局限性,提高分子筛膜管的有效长度的技术问题,本发明提供了一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法及其中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜。
本发明技术方案如下:
本发明的技术方案是采用连续定向流动的合成体系为中空纤维内壁各处提供均一的合成条件,动态合成NaA型分子筛膜,其具体步骤为:
(1)以多孔陶瓷中空纤维为支撑体,首先对其进行预处理:用0.1~1.0mol/L氢氧化钠溶液浸泡5~10h,取出后超声清洗若干遍(pH值为中性),置于50~70℃烘箱中使其完全干燥;
(2)将粒径在90~150nm间的NaA型分子筛颗粒超声分散于去离子水中,配制成固含量为5~10wt.%的晶种悬浮液;
(3)涂覆晶种层:以蠕动泵为驱动力,将步骤(2)中配制的晶种液以0.1~3.0ml/min的流速连续的通过陶瓷中空纤维支撑体内腔并持续20~60s,随后反向流动重复该过程,涂晶完成后将支撑体放入60℃烘箱烘干30min以上;
(4)配制合成液:按照配比Al2O3:SiO2:Na2O:H2O=1:2:3.4~7.5:155~750将硅源、铝源、钠源溶解于去离子水中制备合成液;
(5)动态连续合成NaA分离层:将涂晶后的支撑体外表面密封后(两端暴露地封装于管式组件内,而后将组件)竖直安装于合成装置内,合成液在室温下始终保持搅拌状态以维持其组分的均匀性,同时在外力驱动下以0.1~1.0ml/min的流速连续流动经过装置管路和支撑体内腔后回到合成液主体形成循环,合成液仅在进入支撑体前的管路内被预加热至80~100℃,并由恒温加热装置保证其进入支撑体内腔后始终维持在该温度,动态连续反应4~6h后取出膜管,去除外表面封装物,用去离子水洗涤,干燥后得到NaA型分子筛膜。
所述步骤(1)中陶瓷中空纤维支撑体的内径在1~7mm之间。
所述步骤(5)中驱动力可来自计量泵、蠕动泵等能够精确调节流量的驱动装置。
所述步骤(5)中恒温加热装置是恒温干燥烘箱、加热套、恒温水浴、恒温油浴等温度可调且能够持续可控的提供热量的装置。
本发明还提供一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜,其由上述一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法所制备,所述NaA型分子筛膜用于90wt.%乙醇-水体系的渗透汽化分离实验,在温度为75℃,料液流量为148ml/min时,该膜对体系中水的选择分离因子超过80000,通量可达19.7±0.3kg/m2·h;料液流量为8ml/min时,分离因子超过80000,通量可达8.9±0.3kg/m2·h。
本发明所述的一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法,对晶种层要求较为宽容,用该方法所合成的分子筛膜经SEM观察表面致密连续、无杂晶生成,厚度在3~5μm。
根据本发明所述方法,将合成得到的NaA型分子筛膜用于90wt.%乙醇-水体系的渗透汽化分离实验,结果表明:在温度为75℃,料液流量为148ml/min时,该膜对体系中水的选择分离因子超过80000,通量可达19.7±0.3kg/m2·h;料液流量为8ml/min时,分离因子超过80000,通量可达8.9±0.3kg/m2·h;。
采用本发明所述方法合成中空纤维内壁NaA型分子筛膜的优势在于:设备简单,成膜重复性高,性能优良,可达到较高的有效膜管长度,且由于合成液在循环流动时主体未被加热发生反应,延长了合成液的使用时间,降低了原材料的损耗,进而降低了分子筛膜的合成成本,有利于工业化生产。
附图说明
图1为陶瓷中空纤维支撑体内表面的扫描电镜图;
图2为陶瓷中空纤维支撑体内表面涂覆晶种后的扫描电镜图;
图3为实施例1-5中使用的合成装置示意图;
其中:1-合成液;2-磁力搅拌装置;3-蠕动泵;4-恒温干燥箱;5-预加热段;6-膜组件;
图4为实施例2中陶瓷中空纤维支撑体内表面合成NaA型分子筛膜后的扫描电镜图;
图5为实施例1-5中进行渗透汽化测试的装置示意图;
其中:7-水浴磁力搅拌;8-混合料液;9-膜组件;10-蠕动泵;11-加热装置;12,15-阀门;13-U型压差计;14,16-冷阱;17-真空泵。
具体实施方式
以下提供本发明一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法的具体实施方式。
实施例1:一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法:
(1)以长度为6cm的α-Al2O3中空纤维为支撑体,用1.0mol/L氢氧化钠溶液浸泡10h后用去离子水超声清洗至中性,置于70℃烘箱中使其完全干燥;
(2)将粒径在90~150nm间的NaA型分子筛颗粒超声分散于去离子水中,配制成固含量为6wt.%的晶种悬浮液;
(3)涂覆晶种层:以蠕动泵为驱动力,将步骤(2)中配制的晶种液以3.0ml/min的流速连续的通过陶瓷中空纤维支撑体内腔并持续30s,随后反向流动重复该过程,涂晶完成后将支撑体放入60℃烘箱烘干30min以上;
(4)配制合成液:将九水硅酸钠溶解于去离子水中得到A液,将铝酸钠和氢氧化钠溶解于去离子水中得到B液,搅拌状态下将B液缓慢加入A液得到乳白色合成液,室温下继续搅拌40min以上,合成液配比为Al2O3:SiO2:Na2O:H2O=1:2:7.5:600;
(5)动态连续合成NaA分离层:将涂晶后的支撑体外表面密封后竖直安装于合成装置内,合成液在室温下始终保持搅拌状态以维持其组分的均匀性,同时在外力驱动下以0.13ml/min的流速连续流动经过装置管路和支撑体内腔后回到合成液主体形成循环,合成液仅在进入支撑体前的管路内被预加热至90℃,并由恒温加热装置保证其进入支撑体内腔后始终维持在该温度,动态连续反应6h后取出膜管,去除外表面封装物,用去离子水洗涤,干燥后得到NaA型分子筛膜。
(6)分子筛膜的渗透汽化测试:在混合料液循环流动的渗透汽化体系中(图5所示)对所制备的内壁分子筛膜进行分离性能测试,用蠕动泵控制料液流量分别在8ml/min和148ml/min时纪录测试结果。
实施例2:一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法:
步骤(1)到(4)同实施例1;
(5)动态连续合成NaA分离层:将涂晶后的支撑体外表面密封后竖直安装于合成装置内,合成液在室温下始终保持搅拌状态以维持其组分的均匀性,同时在外力驱动下以0.26ml/min的流速连续流动经过装置管路和支撑体内腔后回到合成液主体形成循环,合成液仅在进入支撑体前的管路内被预加热至90℃,并由恒温加热装置保证其进入支撑体内腔后始终维持在该温度,动态连续反应6h后取出膜管,去除外表面封装物,用去离子水洗涤,干燥后得到NaA型分子筛膜;
步骤(6)同实施例1。
实施例3:一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法:
步骤(1)到(4)同实施例1;
(5)动态连续合成NaA分离层:将涂晶后的支撑体外表面密封后竖直安装于合成装置内,合成液在室温下始终保持搅拌状态以维持其组分的均匀性,同时在外力驱动下以0.52ml/min的流速连续流动经过装置管路和支撑体内腔后回到合成液主体形成循环,合成液仅在进入支撑体前的管路内被预加热至90℃,并由恒温加热装置保证其进入支撑体内腔后始终维持在该温度,动态连续反应6h后取出膜管,去除外表面封装物,用去离子水洗涤,干燥后得到NaA型分子筛膜;
步骤(6)同实施例1。
实施例4:一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法:
(1)以长度为20cm的多孔α-Al2O3中空纤维为支撑体,用1.0mol/L氢氧化钠溶液浸泡10h后用去离子水超声清洗至中性,置于70℃烘箱中使其完全干燥;
步骤(2)到(4)同实施例1;
步骤(5)同实施例2;
步骤(6)同实施例1。
实施例5:一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法:
(1)以长度为27cm的多孔α-Al2O3中空纤维为支撑体,用1.0mol/L氢氧化钠溶液浸泡10h后用去离子水超声清洗至中性,置于70℃烘箱中使其完全干燥;
步骤(2)到(4)同实施例1;
步骤(5)同实施例2;
步骤(6)同实施例1。
表1为实施例1-5所合成NaA分子筛膜渗透汽化实验的结果,原料液为90wt.%的乙醇水溶液,原料液流动速度为148ml/min,实验温度为75℃。
表1实施例1-5所合成NaA分子筛膜渗透汽化实验的结果
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法,其特征在于,其具体步骤为:
(1)以多孔陶瓷中空纤维为支撑体,首先对其进行预处理:用0.1~1.0mol/L氢氧化钠溶液浸泡5~10h,取出后超声清洗至pH值为中性,置于50~70℃烘箱中干燥;
(2)将粒径在90~150nm间的NaA型分子筛颗粒超声分散于去离子水中,配制成固含量为5~10wt.%的晶种悬浮液;
(3)涂覆晶种层:以蠕动泵为驱动力,将步骤(2)中配制的晶种悬浮液以0.1~3.0ml/min的流速连续的通过陶瓷中空纤维支撑体内腔并持续20~60s,随后反向流动重复该过程,涂晶完成后将支撑体放入60℃烘箱烘干30min以上;
(4)配制合成液:按照配比Al2O3:SiO2:Na2O:H2O=1:2:3.4~7.5:155~750将硅源、铝源、钠源溶解于去离子水中制备合成液;
(5)动态连续合成NaA分离层:将涂晶后的支撑体两端暴露地封装于管式组件内,而后将组件竖直安装于合成装置内,合成液在室温下始终保持搅拌状态以维持其组分的均匀性,同时在外力驱动下以0.1~1.0ml/min的流速连续流动经过装置管路和支撑体内腔后回到合成液主体形成循环,合成液仅在进入支撑体前的管路内被预加热至80~100℃,并由恒温加热装置保证其进入支撑体内腔后始终维持在该温度,动态连续反应4~6h后取出膜管,去除外表面封装物,用去离子水洗涤,干燥后得到NaA型分子筛渗透汽化膜。
2.如权利要求1所述的一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法,其特征在于,步骤(1)多孔陶瓷中空纤维支撑体,其内径在1~7mm之间。
3.如权利要求1所述的一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法,其特征在于,步骤(5)驱动力来自计量泵、蠕动泵等可精确调节流量的驱动装置。
4.如权利要求1所述的一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法,其特征在于,步骤(5)所述恒温加热装置为恒温干燥烘箱、加热套、恒温水浴中的一种。
5.如权利要求1所述的一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法,其特征在于,分子筛膜层担载于长度为5~30cm的陶瓷中空纤维内壁,膜层厚度为3~5μm。
6.一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜,其特征在于,其由权利要求1-5任一项所述一种连续流动体系中动态合成中空纤维内壁NaA型分子筛渗透汽化膜的方法所制备,所述NaA型分子筛膜用于90wt.%乙醇-水体系的渗透汽化分离实验,在温度为75℃,料液流量为148ml/min时,该膜对体系中水的选择分离因子超过80000,通量可达19.7±0.3kg/m2·h;料液流量为8ml/min时,分离因子超过80000,通量可达8.9±0.3kg/m2·h。
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