CN110627491B - 三明治结构分子筛膜的合成方法以及膜的用途 - Google Patents

三明治结构分子筛膜的合成方法以及膜的用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多种三明治结构的MFI型分子筛膜的制备方法，同时将其用于低浓度的醇水分离过程。在分离过程中，三明治结构大大强化了膜的分离性能，改变了膜的传质方式，同时提高了膜的机械性能以及长期的稳定性。本发明所制备的三明治膜具有较高的机械强度及较高的稳定性，同时制备方法简单，对原材料的消耗较小，制膜后无需煅烧，极大地降低了膜的制备成本。对5％乙醇水的分离效果已显著超过前人的研究水平，分离因子高达180.6，表现出极大的工业应用价值。

Description

三明治结构分子筛膜的合成方法以及膜的用途
技术领域
本发明涉及一种高度疏水性MFI型分子筛膜的制备方法，及其在低浓度醇水(生物法乙醇水溶液)分离方面的应用。
背景技术
沸石是具有高度规整的亚纳米通道的结晶材，沸石粉体广泛用作催化剂、离子交换、吸附剂等方面。沸石膜在分离膜、选择性传感器、光学材料等方面具有巨大的应用潜力，与随机定向膜相比，高取向沸石薄膜具有优异的性能，引起了人们的广泛兴趣。在所有的沸石中，高b取向MFI薄膜在吸附分离领域更具广泛的应用前景。
MFI型分子筛膜是一种硅铝比可调的且具有特殊纳米孔道结构的分子筛膜，具有良好的水热稳定性、耐酸性与热稳定性等优点引起较多关注。其中，Silicalite-1(SL)与ZSM-5为应用广泛的MFI型分子筛，其中ZSM-5为不定硅铝比的硅铝酸盐结构，被广泛应用于选择性催化剂。Silicalite-1为纯硅MFI型分子筛，具有高度的疏水性，在膜分离、膜反应器、化学传感器等领域有着广泛的应用前景，因而受到国内外学者的广泛关注。近年来，膜在分离二甲苯衍生物方面已经取得了重大的突破，随着全球能源危机的蔓延，高疏水性的MFI型分子筛膜由于其特定的孔径大小以及对生物乙醇的高度亲和力等特性在低浓度醇水分离方面表现出极大的应用潜力。
为了制备出完整、均一且致密的分子筛膜，人进行了许多相关的研究工作。目前膜的制备方法主要有：原位水热合成法、微波加热合成法及二次生长法等。原位水热合成法是将载体直接置于已配置好的合成液中，通过水热合成在载体上形成一层分子筛膜的方法。通过这种方法，调节合成液的组分含量可制备出连续的b-轴取向MFI分子筛膜，常被用作低电介常数材料。二次生长法，即促进载体表面预涂的分子筛晶种层在合成液中的生长，进而合成分子筛膜的方法。特定的分子筛晶种通过一定水热合成反应合成得到，并将该分子筛晶种通过一定接种方式涂覆于载体表面，最后，通过二次生长使得b取向晶种层生长成均一一致b取向分子筛薄膜。微波加热法是一种利用是分子运动加热且保持合成液中的各种营养比例不变的方法，具有简单高效的优点，大大缩短了膜的制备周期，是近年来出现的新型制备手段。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，制备一种具有对低浓度醇水高度分离特性的MFI型三明治结构膜。具有良好的操作性及重现性，同时较高的机械强度保证了膜在长期的分离过程中始终保持稳定的状态。
本发明的技术方案概述如下：三明治结构分子筛膜的合成方法以及醇水分离应用研究的方法，包括如下步骤：
(1)将10NaOH:25Na2SO4:10TEOS:7.5C22-6-6:4000H2O按照比例配置成溶液，60℃老化6h后,150℃旋转反应7天(转速：70rpm/min)制备得MFI型晶种X-1，550℃煅烧6h以除去模板剂。
(2)分别制备50nm、350nm
Figure BDA0002220246420000021
二氧化硅,将它们研成粉末后分别置于马弗炉中400℃下煅烧4h，升温2℃/min。然后取350nm
Figure BDA0002220246420000022
二氧化硅1.6g压制成片后950℃下煅烧紧实，升温2℃/min。
(3)将50nm
Figure BDA0002220246420000023
二氧化硅擦涂于载体上550℃煅烧6h,升温2℃/min。反复循环此过程3次使载体表面更加光滑。
(4)将不同的晶种研磨后擦涂于光滑的载体上，形成致密的种子层于550℃下煅烧8h以增强载体及种子的连结性。随后浸入0.5M NH4F溶液中5h以除去悬浮在载体的种子。去离子水洗涤三次后室温干燥待用。
(5)将预涂种子的载体置于0.025M TPAOH/TEAOH(四乙基氢氧化铵/四丙基氢氧化铵)中超过40s,两个做相同处理的载体面对面的置于具有支架的聚四氟乙烯内衬中，利用二次生长法80-200℃反应2-40h。反应结束后80℃真空干燥过夜待用。
(6)将两个改性后的载体面对面浸于10NaOH:25Na2SO4:10TEOS:7.5TPAOH:4000H2O合成液中,利用微波加热法、水热合成法80-200℃下反应不同的时间(2-40h)，反应结束后80℃真空干燥过夜待用。
(7)利用自组装的装置评价膜渗透性能。并对膜的长期稳定性做一个简单的评价。
(8)SEM表征膜的表面形态及厚度，XRD反映膜的取向。
本发明的另一技术方案是前述的合成方法制备的三明治结构分子筛膜的用途，醇水分离的应用。
本发明的优点：
本发明所制备的三明治膜具有较高的机械强度及较高的稳定性，同时制备方法简单，对原材料的消耗较小，制膜后无需煅烧，极大地降低了膜的制备成本。对5％乙醇水的分离效果已显著超过前人的研究水平，分离因子高达180.6，表现出极大的工业应用价值。
附图说明
图1为150℃二次生长24h三明治膜的XRD图；
图2为150℃二次生长24h三明治膜的SEM图(表面)；
图3为150℃二次生长24h三明治膜的SEM图(截面)；
图4为膜渗透表现(与前人工作的比较)；
图5为膜渗透通量稳定性；图6为膜分离因子稳定性。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例来对本发明做进一步详细说明。
种子的制备，参考：H.Ding,X.Ni,Y.Zhang,J.Zhang,Z.Zeng,M.Qi,P.Bai,X.Guo,CrystEngComm2017,19,3263.
下面结合具体实施实例对本发明作进一步的阐述：
实施例一:
(1)将10NaOH:25Na2SO4:10TEOS:7.5C22-6-6:4000H2O按照比例配置成溶液，60℃老化6h后,150℃静置反应7天制备得MFI型晶种X-1,550℃煅烧6h以除去模板剂。
(2)分别制备50nm、350nm
Figure BDA0002220246420000031
二氧化硅,将他们研成粉末后分别置于马弗炉中400℃下煅烧4h，升温2℃/min。然后取1.6g的350nm
Figure BDA0002220246420000032
二氧化硅压制成片后950℃下煅烧紧实，升温2℃/min。
(3)将50nm
Figure BDA0002220246420000033
二氧化硅擦涂于载体上550℃煅烧6h,升温2℃/min。反复循环此过程3次使载体表面更加光滑。
(4)将制备的晶种研磨后擦涂于光滑的载体上，形成致密的种子层550℃煅烧8h以增强载体及种子的连结性。随后浸入0.5M NH4F溶液中5h以除去悬浮的种子。去离子水洗涤三次后室温干燥待用。
(5)将预涂种子的载体置于0.025M TPAOH/TEAOH(四乙基氢氧化铵/四丙基氢氧化铵)中超过40s,两个做相同处理的载体面对面的置于具有支架的聚四氟乙烯内衬中，水热反应釜中100℃反应2-40h，反应结束后80℃真空干燥过夜待用。
(6)利用自组装的装置评价膜渗透性能。并对膜的长期稳定性做一个简单的评价。
(7)所述膜的制备是两个载体面对面的接触生长。
(8)所述膜的反应时间为2-40h。
(9)根据权利要6所述的方法，其特征是。
(10)100℃反应24h后制备的三明治膜对5％乙醇水的分离因子为73.2,通量为4.7Kg·m-2·h-1。
(11)100℃反应24h后制备的三明治膜具有良好的b取向，膜厚度为1μm。
实施例二:
(1)将10NaOH:25Na2SO4:10TEOS:7.5C22-6-6:4000H2O按照比例配置成溶液，60℃老化6h后,150℃静置反应7天制备得MFI型晶种X-1,550℃煅烧6h以除去模板剂。
(2)分别制备50nm、350nm
Figure BDA0002220246420000041
二氧化硅,将它们研成粉末后分别置于马弗炉中400℃下煅烧4h，升温2℃/min。然后取1.6g的350nm
Figure BDA0002220246420000042
二氧化硅压制成片后950℃下煅烧紧实，升温2℃/min。
(3)将50nm
Figure BDA0002220246420000043
二氧化硅擦涂于载体上550℃煅烧6h,升温2℃/min。反复循环此过程3次使载体表面更加光滑。
(4)将制备的晶种研磨后擦涂于光滑的载体上，形成致密的种子层550℃煅烧8h以增强载体及种子的连结性。随后浸入0.5M NH4F溶液中5h以除去悬浮在载体的种子。去离子水洗涤三次后室温干燥待用。
(5)将预涂种子的载体置于0.025M TPAOH/TEAOH(四乙基氢氧化铵/四丙基氢氧化铵)中超过40s,两个做相同处理的载体面对面的置于具有支架的聚四氟乙烯内衬中，水热反应釜中150℃反应2-40h，反应结束后80℃真空干燥过夜待用。
(6)利用自组装的装置评价膜渗透性能。并对膜的长期稳定性做一个简单的评价。
(7)所述膜的制备是两个载体面对面的接触生长。
(8)所述膜的反应时间为2-40h。
(9)所述渗透评价介质为5％醇水体系，操作温度60℃。
(10)150℃时反应24h后制备的三明治膜对5％乙醇水的分离因子为136.2，通量为2.3Kg·m-2·h-1。
(11)150℃反应24h后制备的三明治膜具有良好的b取向，膜厚度为500nm。
实施例三：
(1)将10NaOH:25Na2SO4:10TEOS:7.5C22-6-6:4000H2O按照比例配置成溶液，60℃老化6h后,150℃静置反应7天制备得MFI型晶种X-1,550℃煅烧6h以除去模板剂。
(2)分别制备50nm、350nm
Figure BDA0002220246420000044
二氧化硅,将它们研成粉末后分别置于马弗炉中400℃下煅烧4h，升温2℃/min。然后取1.6g的350nm
Figure BDA0002220246420000045
二氧化硅压制成片后950℃下煅烧紧实，升温2℃/min。
(3)将50nm
Figure BDA0002220246420000046
二氧化硅擦涂于载体上550℃煅烧6h,升温2℃/min。反复循环此过程3次使载体表面更加光滑。
(4)将制备的晶种研磨后擦涂于光滑的载体上，形成致密的种子层550℃煅烧8h以增强载体及种子的连结性。随后浸入0.5M NH4F溶液中5h以除去悬浮在载体的种子。去离子水洗涤三次后室温干燥待用。
(5)将预涂种子的载体置于0.025M TPAOH/TEAOH(四乙基氢氧化铵/四丙基氢氧化铵)中超过40s,两个做相同处理的载体面对面的置于具有支架的聚四氟乙烯内衬中，水热反应釜中190℃反应2-40h，反应结束后80℃真空干燥过夜待用。
(6)利用自组装的装置评价膜渗透性能。并对膜的长期稳定性做一个简单的评价。
(7)所述膜的制备是两个载体面对面的接触生长。
(8)所述膜的反应时间为2-40h。
(9)所述渗透评价介质为5％醇水体系，操作温度60℃。
(10)190℃时反应24h后制备的三明治膜对5％乙醇水的分离因子为58.6，通量为4.6Kg·m-2·h-1。
(11)190℃反应24h后制备的三明治膜具有良好的b取向，膜厚度为1μm。
实施例四:
(1)将10NaOH:25Na2SO4:10TEOS:7.5C22-6-6:4000H2O按照比例配置成溶液，60℃老化6h后,150℃旋转反应7天(转速：70rpm/min)制备得MFI型晶种X-1，550℃煅烧6h以除去模板剂。
(2)分别制备50nm、350nm
Figure BDA0002220246420000051
二氧化硅,将他们研成粉末后分别置于马弗炉中400℃下煅烧4h，升温2℃/min。然后取350nm
Figure BDA0002220246420000052
二氧化硅1.6g压制成片后950℃下煅烧紧实，升温2℃/min。
(3)将50nm
Figure BDA0002220246420000053
二氧化硅擦涂于载体上550℃煅烧6h,升温2℃/min。反复循环此过程3次使载体表面更加光滑。
(4)将制备的X-1晶种研磨后擦涂于光滑的载体上，形成致密的种子层550℃煅烧8h以增强载体及种子的连结性。随后浸入0.5M NH4F溶液中5h以除去悬浮在载体的种子。去离子水洗涤三次后室温干燥待用。
(5)将预涂种子的载体置于0.025M TPAOH/TEAOH(四乙基氢氧化铵/四丙基氢氧化铵)中超过40s,两个做相同处理的载体面对面的置于具有支架的聚四氟乙烯内衬中，利用二次生长法150℃反应2-40h。反应结束后80℃真空干燥过夜待用。
(6)利用自组装的装置评价膜渗透性能。并对膜的长期稳定性做一个简单的评价。
(7)SEM表征膜的表面形态及厚度，XRD反映膜的取向。
(8)所述膜的制备是两个载体面对面的接触生长。
(9)所述膜的反应时间为2-40h。
(10)所述渗透评价介质为5％醇水体系，操作温度60℃。
(11)擦涂X-1种子后，150℃反应12h后制备的三明治膜对5％乙醇水的分离因子为90.3,通量为2.6Kg·m-2·h-1。
(12)擦涂X-1种子后，150℃反应12h可在多孔载体表面形成连续的b取向的MFI型三明治膜，膜厚600nm。
实施例五：
(1)分别制备50nm、350nm
Figure BDA0002220246420000063
二氧化硅,将它们研成粉末后分别置于马弗炉中400℃下煅烧4h，升温2℃/min。然后取350nm
Figure BDA0002220246420000064
二氧化硅1.6g压制成片后950℃下煅烧紧实，升温2℃/min。
(2)将50nm
Figure BDA0002220246420000065
二氧化硅擦涂于载体上550℃煅烧6h,升温2℃/min。反复循环此过程3次使载体表面更加光滑。
(3)将两个改性后的载体面对面浸于10NaOH:25Na2SO4:10TEOS:7.5TPAOH:4000H2O合成液中150℃下原位水热反应2-40h。
(4)利用自组装的装置评价膜渗透性能。并对膜的长期稳定性做一个简单的评价。
(5)SEM表征膜的表面形态及厚度，XRD反映膜的取向。
(6)所述膜的反应时间为2-40h。
(7)所述膜的生长方式为面对面的接触式生长。
(8)所述渗透评价介质为5％醇水体系，操作温度60℃。
(9)150℃下原位水热反应12h后制备的三明治膜对5％乙醇水的分离因子为180.6,通量为2.3Kg·m-2·h-1。
(10)150℃下原位水热反应12h可在多孔载体表面形成连续的b取向的MFI型三明治膜，膜厚800nm。
实施例六：
(1)分别制备50nm、350nm
Figure BDA0002220246420000061
二氧化硅,将他们研成粉末后分别置于马弗炉中400℃下煅烧4h，升温2℃/min。然后取350nm
Figure BDA0002220246420000062
二氧化硅1.6g压制成片后950℃下煅烧紧实，升温2℃/min。
(2)将50nm
Figure BDA0002220246420000071
二氧化硅擦涂于载体上550℃煅烧6h,升温2℃/min。反复循环此过程3次使载体表面更加光滑。
(3)将两个改性后的载体面对面浸于10NaOH:25Na2SO4:10TEOS:7.5TPAOH:4000H2O合成液中150℃下微波加热反应2-8h。
(4)利用自组装的装置评价膜渗透性能。并对膜的长期稳定性做一个简单的评价。
(5)SEM表征膜的表面形态及厚度，XRD反映膜的取向。
(6)所述膜的反应时间为2-8h。
(7)所述膜的生长方式为面对面的接触式生长。
(8)所述渗透评价介质为5％醇水体系，操作温度60℃。
(9)150℃下微波加热反应6h后制备的三明治膜对5％乙醇水的分离因子为120.3,通量为1.7Kg·m-2·h-1。
(10)150℃下微波加热反应6h可在多孔载体表面形成连续的b取向的MFI型三明治膜，膜厚400nm。
综上本研究在150℃反应24h后制备的三明治膜具有极高的分离因子和较小的通量。即具有良好的“富醇”能力。不同的合成条件下制备的三明治膜均具有较为致密、平整的表面结构，其中二次生长法制备的膜厚度较小，微波加热法可缩短反应时间，因此本研究可为膜制备方法的选择提供丰富的理论指导。同时在分离过程中，不同方法制备出的分子筛膜均表现出较佳的分离效果，说明在此种条件下获得膜均满足工业的需求，为膜的工业应用奠定了坚实的基础。本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨的情况下，还可以做出更多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.三明治结构分子筛膜的合成方法，其特征在于，主要步骤为：
（1）将10NaOH : 25Na2SO4: 10TEOS : 7.5 C22-6-6: 4000H2O 按照比例配置成溶液，60 ℃ 老化6 h 后, 150 ℃ 旋转反应7 天，转速：70 rpm/min，制备得MFI 型晶种X-1，550℃ 煅烧6 h 以除去模板剂；
（2）分别制备50 nm 、350 nm Stöber 二氧化硅,将它们研成粉末后分别置于马弗炉中400 ℃下煅烧4 h，升温2 ℃/min；然后取350 nm Stöber 二氧化硅1.6 g 压制成片后950℃ 下煅烧紧实，升温2 ℃/min，制备载体；
（3）将50 nm Stöber 二氧化硅擦涂于步骤（2）载体上550 ℃ 煅烧 6 h,升温2 ℃/min，反复循环此改性过程3 次使载体表面更加光滑；
（4）将步骤（1）处理后的晶种研磨后擦涂于步骤（3）处理后的光滑的载体上，形成致密的种子层于550 ℃ 下煅烧8 h 以增强载体及种子的连结性，随后浸入0.5 M NH4F 溶液中5h 以除去悬浮在载体上的种子，去离子水洗涤三次后室温干燥待用；
（5）将步骤（4）预涂种子的载体置于0.025 M TPAOH/TEAOH(四丙基氢氧化铵/四乙基氢氧化铵) 中超过40 s,两个做相同处理的载体面对面的置于具有支架的聚四氟乙烯内衬中，利用二次生长法80-200 ℃ 反应2-40h；反应结束后80 ℃ 真空干燥过夜合成膜；或
（6）将两个改性后的步骤（3）处理后的载体面对面浸于10NaOH : 25Na2SO4: 10TEOS :7.5 TPAOH : 4000H2O 合成液中，利用微波加热法或水热合成法80-200℃ 下反应时间2-40 h，反应结束后80 ℃ 真空干燥过夜合成膜；
所述步骤（5）和（6）中膜的制备是两个载体面对面的接触生长。
2.根据权利要求1所述的合成方法制备的三明治结构分子筛膜的用途，其特征是，醇水分离的应用。
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