CN109663504B - 一种在Al2O3载体上制备透醇膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明通过二次生长法在氧化铝载体上制备除了透醇用的silicalite‑1沸石膜，与现有计算的不同点在于所用晶种包含ZSM‑5沸石颗粒和Silicalite沸石颗粒，通过合理的晶种涂敷和处理方式提高了silicalite‑1沸石膜的分离性能。

Description

一种在Al2O3载体上制备透醇膜的方法
技术领域
本发明涉及一种沸石膜的制备方法，特别涉及一种在氧化铝载体上合成silicalite-1沸石膜的制备方法。
背景技术
沸石膜是一类由沸石微晶组成的新型无机膜，兼具无机膜与沸石的优点，使得沸石沸石膜具有许多独特而优良的性质，在催化、吸附、离子交换、膜反应器、光电器件以及精细化工等工业领域有着广泛的应用，尤其在气体及液体分离方面展现了良好的应用前景。在过去的十几年中，人们对沸石膜的合成与制备开展了大量的研究，已经制备出了多种沸石膜，包括LTA， SOD，FAU，MEL，CHA，MFI，DDR，AFI，BEA，PHI等。Silicalite-1具有全硅的MFI构型，孔径在0.55nm左右，具有良好的稳定性，在渗透汽化透醇方面具有良好的应用前景。
对于渗透汽化沸石膜，其一般是将沸石层负载在载体上，而传统的载体中，氧化铝载体是最为常见的载体类型，但是对于silicalite-1沸石膜而言，一般不采用氧化铝载体，主要是由于载体中中的铝元素会掺杂到silicalite-1的骨架结构中影响到膜的分离性能。其次，由于silicalite-1沸石层与氧化铝载体层之间的结合力不强。针对该问题，曾经有学者采用ZSM-5沸石作为晶种层诱导silicalite-1沸石膜，但是在重复性模拟实验中发现其渗透性能不佳。
针对上述问题，急需一种新的合成方法以克服在氧化铝载体上合成silicalite-1沸石膜的种种问题。
发明内容
本发明的目的在于针对氧化铝载体与silicalite-1沸石层结合力差等问题，对现有的合成方法进行了改进。
本发明提供了一种在Al2O3载体上制备透醇膜的方法，其特征在于：在Al2O3载体表面预先通过真空抽吸法涂敷一层ZSM-5沸石颗粒，经第一次干燥后再在载体上继续通过浸渍法涂敷一层silicalite-1沸石颗粒，再经第二次干燥后进行水热合成、焙烧后制成；所述的ZSM-5沸石颗粒粒径大于1μm，所述的silicalite-1沸石颗粒粒径小于500nm。
优选的，所述的氧化铝载体为管式、中空纤维式。
优选的，所述的silicalite-1沸石颗粒是通过将粒径＞1μ的沸石经机械破碎而成。
优选的，所述的机械破碎为珠磨。
优选的，第一次涂敷是采用真空抽吸法，而第二次涂敷采用浸渍法。
优选的，第一次干燥和第二次干燥均为在60-100℃下处理2-4h。
优选地，第一次干燥后将载体进行第一次焙烧处理，所述的第一次焙烧是在400-450℃下焙烧1-2h。
优选地，所述的ZSM-5沸石颗粒经钝化处理，所述的钝化处理是将ZSM-5沸石颗粒在400-450℃下焙烧1-2h。
优选的，第二次焙烧是在400-500℃下焙烧2-6h。
优选的，该方法包括以下步骤：
（1）将氧化铝载体经打磨、冲洗、浸泡、干燥处理；
（2）将合适粒径的ZSM-5沸石颗粒与乙醇混合配制成0.5-1%的ZSM-5沸石悬浮液，将合适粒径的silicalite-1沸石颗粒与乙醇混合配制成1%-2%的silicalite-1沸石悬浮液;
（3）采用真空抽吸法在氧化铝载体上先涂敷一层ZSM-5沸石颗粒，并在第一次干燥后送入马弗炉在400-450℃下焙烧1-2h；
（4）将焙烧后的载体浸入silicalite-1沸石悬浮液使载体表面再涂敷一层silicalite-1沸石颗粒，并送入烘箱进行第二次干燥；
（5）将涂敷后的载体浸渍与silicalite-1铸膜液中，并送入烘箱进行水热合成；
（6）将水热合成后的膜经清洗、浸泡、干燥后送入马弗炉进行高温焙烧以脱除模板剂。
优选的，该方法包括以下步骤：
（2）将氧化铝载体经打磨、冲洗、浸泡、干燥处理；
（2）将合适粒径的ZSM-5沸石颗粒在在400-450℃下焙烧1-2h后与乙醇混合配制成0.5-1%的ZSM-5沸石悬浮液，将合适粒径的silicalite-1沸石颗粒与乙醇混合配制成1%-2%的silicalite-1沸石悬浮液;
（3）采用真空抽吸法在氧化铝载体上先涂敷一层ZSM-5沸石颗粒，并送入烘箱进行第一次干燥处理；
（4）将干燥后的载体浸入silicalite-1沸石悬浮液使载体表面再涂敷一层silicalite-1沸石颗粒，并送入烘箱进行第二次干燥；
（5）将涂敷后的载体浸渍与silicalite-1铸膜液中，并送入烘箱进行水热合成；
（6）将水热合成后的膜经清洗、浸泡、干燥后送入马弗炉进行高温焙烧以脱除模板剂。
本发明的创新点集中在以下几点：
首先，本发明在氧化铝载体上依次涂敷ZSM-5沸石和silicalite-1沸石，其中处于载体最外层的silicalite-1沸石优先作为晶种合成silicalite沸石层，而在载体层和沸石层之间的ZSM-5沸石层则作为过渡层提高了载体层和沸石层之间的结合力。而对涂敷完ZSM-5沸石后的载体进行焙烧处理降低了沸石的诱导能力，使后来涂敷的silicalite-1沸石优先成膜。当然也可以选择先将ZSM-5沸石进行焙烧脱除模板剂后，再通过真空抽吸涂覆，此时的焙烧条件同样为400-450℃下焙烧1-2h。为尽可能提高ZSM-5沸石层作为过渡层与载体层的结合力，选择采用真空抽吸法涂敷ZSM-5沸石层，优选的真空度为5-20kpa，抽吸时间为5-20s。而后续的silicalite-1沸石则采用浸渍法涂敷，优选涂敷时间为5-10s，涂敷2-3次。
其次，为进一步降低ZSM-5沸石作为晶种成膜的能力，选择采用大于1μm的沸石颗粒（未经机械破碎处理），而silicalite-1则采用机械破碎成小于500nm，且通过合适的沸石悬浮液浓度的调节使得silicalite-1比ZSM-5具有高出一个数量级的成核位点，优先诱导成膜。
最后，为最大程度防止氧化铝载体在合成过程中被铸膜液溶解从而导致铝掺杂，优选采用中性的铸膜液，优选的铸膜液摩尔配比为SiO2 :TPABr :氟化铵：H2O=1 ：（0.12～ 0.24）：（0.6 ～ 1.6）：（20 ～ 100）。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创新特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合实施例对本发明进一步说明。
实施例1
（1）将氧化铝管式载体经打磨、冲洗、浸泡、干燥处理；
（2）将平均粒径为1.2μm的ZSM-5沸石颗粒与乙醇混合配制成0.5%的ZSM-5沸石悬浮液；将粒径为1.5μm的silicalite-1沸石颗粒采用不锈钢材质的珠子进行珠磨，使其粒径缩小至300nm，并与乙醇混合配制成1.5%的silicalite-1沸石悬浮液;
（3）采用真空抽吸法在氧化铝载体上先涂敷一层ZSM-5沸石颗粒，设定真空度为10kPa，抽吸时间为10s，并在60℃干燥2h后送入马弗炉在450℃下焙烧1h，升降温频率均为1℃/min；
（4）将焙烧后的载体浸入silicalite-1沸石悬浮液使载体表面再涂敷一层silicalite-1沸石颗粒，浸渍时间10s，涂敷两次，涂敷结束后并送入烘箱在60℃下继续干燥2h；
（5）以四丙基溴化铵、硅溶胶、氢氧化钠和水为原料制备铸膜液，其中铸膜液中原料摩尔比为：n（Na2O）：n(TPABr)：n(SIO2)：n(H2O)=0.1：0.1： 1：100；将涂敷后的载体浸渍于silicalite-1铸膜液中，并送入烘箱中在170℃下晶化48h；
（6）将水热合成后的膜经清洗、浸泡、干燥后送入马弗炉进行高温焙烧以脱除模板剂，焙烧温度为500℃，焙烧时间为6h，升降温速率均为1℃/min。
实施例2
（1）将氧化铝管式载体经打磨、冲洗、浸泡、干燥处理；
（2）将平均粒径为1.2μm的ZSM-5沸石颗粒与乙醇混合配制成0.5%的ZSM-5沸石悬浮液；将粒径为1.5μm的silicalite-1沸石颗粒采用不锈钢材质的珠子进行珠磨，使其粒径缩小至300nm，并与乙醇混合配制成1.5%的silicalite-1沸石悬浮液;
（3）采用真空抽吸法在氧化铝载体上先涂敷一层ZSM-5沸石颗粒，设定真空度为10kPa，抽吸时间为10s，并在60℃干燥2h后送入马弗炉在450℃下焙烧1h，升降温频率均为1℃/min；
（4）将焙烧后的载体浸入silicalite-1沸石悬浮液使载体表面再涂敷一层silicalite-1沸石颗粒，浸渍时间10s，涂敷两次，涂敷结束后并送入烘箱在60℃下继续干燥2h；
（5）以四丙基溴化铵、硅溶胶、氟化氨和水为主要原料制备ph为中性的铸膜液，其中铸膜液中原料摩尔比为n(SIO2):n(TPABRr):n(NH4f):n(H2O)=1:0,12:0. 6:80；将涂敷后的支撑n体浸渍于silicalite-1铸膜液中，并送入烘箱中在170℃下晶化48h；
（6）将水热合成后的膜经清洗、浸泡、干燥后送入马弗炉进行高温焙烧以脱除模板剂，焙烧温度为500℃，焙烧时间为6h，升降温速率均为1℃/min。
对比例1
（1）将氧化铝管式载体经打磨、冲洗、浸泡、干燥处理；
（2）将粒径为1.5μm的silicalite-1沸石颗粒采用不锈钢材质的珠子进行珠磨，使其粒径缩小至300nm，并与乙醇混合配制成1.5%的silicalite-1沸石悬浮液;
（3）将载体浸入silicalite-1沸石悬浮液使载体表面涂敷一层silicalite-1沸石颗粒，浸渍时间10s，涂敷两次，涂敷结束后并送入烘箱在60℃下继续干燥2h；
（4）以四丙基溴化铵、硅溶胶、氢氧化钠和水为原料制备铸膜液，其中铸膜液中原料摩尔比为：n（Na2O）：n(TPABr)：n(SIO2)：n(H2O)=0.1：0.1： 1：100；将涂敷后的载体浸渍于silicalite-1铸膜液中，并送入烘箱中在170℃下晶化48h；
（5）将水热合成后的膜经清洗、浸泡、干燥后送入马弗炉进行高温焙烧以脱除模板剂，焙烧温度为500℃，焙烧时间为6h，升降温速率均为1℃/min。
对比例2
（1）将氧化铝管式载体经打磨、冲洗、浸泡、干燥处理；
（2）将平均粒径为1.2μm的ZSM-5(硅铝比为150)沸石颗粒与乙醇混合配制成0.5%的ZSM-5沸石悬浮液；将粒径为1.5μm的silicalite-1沸石颗粒采用不锈钢材质的珠子进行珠磨，使其粒径缩小至300nm，并与乙醇混合配制成1.5%的silicalite-1沸石悬浮液;
（3）采用真空抽吸法在氧化铝载体上先涂敷一层ZSM-5沸石颗粒，设定真空度为10kPa，抽吸时间为10s，并在60℃干燥2h后送入马弗炉在450℃下焙烧1h，升降温频率均为1℃/min；
（4）以四丙基溴化铵、硅溶胶、氢氧化钠和水为原料制备铸膜液，其中铸膜液中原料摩尔比为：n（Na2O）：n(TPABr)：n(SIO2)：n(H2O)=0.1：0.1： 1：100；将涂敷后的载体浸渍于silicalite-1铸膜液中，并送入烘箱中在170℃下晶化48h；
（5）将水热合成后的膜经清洗、浸泡、干燥后送入马弗炉进行高温焙烧以脱除模板剂，焙烧温度为500℃，焙烧时间为6h，升降温速率均为1℃/min。
对比例3
（1）将氧化铝管式载体经打磨、冲洗、浸泡、干燥处理；
（2）将平均粒径为1.2μm的ZSM-5沸石颗粒与乙醇混合配制成0.5%的ZSM-5沸石悬浮液；将粒径为1.5μm的silicalite-1沸石颗粒采用不锈钢材质的珠子进行珠磨，使其粒径缩小至300nm，并与乙醇混合配制成1.5%的silicalite-1沸石悬浮液;
（3）采用真空抽吸法在氧化铝载体上先涂敷一层ZSM-5沸石颗粒，设定真空度为10kPa，抽吸时间为10s，并在60℃干燥2h；
（4）将干燥后的载体浸入silicalite-1沸石悬浮液使载体表面再涂敷一层silicalite-1沸石颗粒，浸渍时间10s，涂敷两次，涂敷结束后并送入烘箱在60℃下继续干燥2h；
（5）以四丙基溴化铵、硅溶胶、氢氧化钠和水为原料制备铸膜液，其中铸膜液中原料摩尔比为：n（Na2O）：n(TPABr)：n(SIO2)：n(H2O)=0.1：0.1： 1：100；将涂敷后的载体浸渍于silicalite-1铸膜液中，并送入烘箱中在170℃下晶化48h；
（6）将水热合成后的膜经清洗、浸泡、干燥后送入马弗炉进行高温焙烧以脱除模板剂，焙烧温度为500℃，焙烧时间为6h，升降温速率均为1℃/min。
对比例4
（1）将氧化铝管式载体经打磨、冲洗、浸泡、干燥处理；
（2）将平均粒径为1.2μm的ZSM-5沸石颗粒与乙醇混合配制成0.5%的ZSM-5沸石悬浮液；将粒径为1.5μm的silicalite-1沸石颗粒与乙醇混合配制成1.5%的silicalite-1沸石悬浮液;
（3）采用真空抽吸法在氧化铝载体上先涂敷一层ZSM-5沸石颗粒，设定真空度为10kPa，抽吸时间为10s，并在60℃干燥2h后送入马弗炉在450℃下焙烧1h，升降温频率均为1℃/min；
（4）将焙烧后的载体浸入silicalite-1沸石悬浮液使载体表面再涂敷一层silicalite-1沸石颗粒，浸渍时间10s，涂敷两次，涂敷结束后并送入烘箱在60℃下继续干燥2h；
（5）以四丙基溴化铵、硅溶胶、氢氧化钠和水为原料制备铸膜液，其中铸膜液中原料摩尔比为：n（Na2O）：n(TPABr)：n(SIO2)：n(H2O)=0.1：0.1： 1：100；将涂敷后的载体浸渍于silicalite-1铸膜液中，并送入烘箱中在170℃下晶化48h；
（6）将水热合成后的膜经清洗、浸泡、干燥后送入马弗炉进行高温焙烧以脱除模板剂，焙烧温度为500℃，焙烧时间为6h，升降温速率均为1℃/min。
性能试验
将对比例1-4和实施例1-2所得的管式膜材料进行渗透汽化实施，试验条件是：操作温度60 ℃，分离体系是5wt.%的乙醇/水溶液。所得结果如表1所示。
表1所合成的管式膜材料的渗透汽化实验结果
样品 选择性 通量（kg·h-1·m-2）
实施例1 109 1.04
实施例2 121 1.11
对比例1 80 0.88
对比例2 49 0.79
对比例3 89 0.81
对比例4 86 0.83
从XRD表征图可以看出实施例1、2制备的膜为MFI结构，而从表中可以看出，本发明提供的管式膜材料用于工业醇水分离的选择性〉100，通量〉1.0 kg•h-1•m-2， 兼具有高的选择性和渗透通量，具有较好的应用价值。
除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (5)

1.一种在Al2O3载体上制备透醇膜的方法，其特征在于：在Al2O3载体表面预先通过真空抽吸法涂敷一层ZSM-5沸石颗粒，经第一次干燥后再在载体上继续通过浸渍法涂敷一层silicalite-1沸石颗粒，再经第二次干燥后进行水热合成、焙烧后制成；所述的ZSM-5沸石颗粒粒径大于1μm，所述的silicalite-1沸石颗粒粒径小于500nm；所述的silicalite-1沸石颗粒是通过将粒径＞1μ的沸石经机械破碎而成；所述的ZSM-5沸石颗粒经钝化处理，所述的钝化处理是将ZSM-5沸石颗粒在400-450℃下焙烧1-2h；第一次干燥后将载体进行第一次焙烧处理，所述的第一次焙烧是在400-450℃下焙烧1-2h；所述第二次干燥后的焙烧是在450-500℃下焙烧2-6h。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的Al2O3载体为管式、中空纤维式。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的机械破碎为珠磨。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第一次干燥和第二次干燥均为在60-100℃下处理2-4h。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于真空度为5-20kpa，抽吸时间为5-20s。
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