CN1128004C - 微波加热合成分子筛膜 - Google Patents

Abstract

一种微波加热合成分子筛膜的方法，其特征在于制备过程如下：(1)分子筛合成液的配制，配方为aNa₂O∶Al₂O₃∶5SiO₂∶bH₂O，a＝5.0～20.0，b＝500～4000；(2)将多孔基膜置于合成液中，利用微波加热合成，温度为50℃～100℃，合成时间为10～60分钟；(3)洗涤烘干。本发明方法合成的分子筛膜具有高的分离性能，且合成时间短。

Description

微波加热合成分子筛膜

本发明涉及分子筛膜的合成与应用，特别是提供了一种快速合成分子筛膜的新方法--微波加热合成。

分子筛是一种具有规整孔道的晶体材料，其孔径在0.3～3.0nm之间，与一般分子的大小相近，分子筛在择形催化、离子交换、吸附分离中具有广泛的应用。通常，分子筛是以粉末状使用，但粉末状的分子筛在应用中有许多限制，如在利用分子筛分离和纯化气体的变压吸附中，不仅不易实现连续操作，而且设备投资大，操作繁琐，如果将分子筛制成膜，利用其择形筛分特性实现气体分离，不仅能实现连续操作，减小设备投资和操作费用，而且能大大提高分离选择性，保持较大的透量。另外分子筛膜在高温催化膜反应、渗透汽化分离、主客体化学、环保、色谱、生命科学、电极、传感器、光学材料等众多领域也显示了极强的应用前景。

鉴于分子筛膜的广阔应用前景，近几年来，国内外众多的科学家对其合成及应用进行了广泛的研究。Suzuki等于1987年首次以专利形式报道了在多孔载体表面合成超薄的(1nm)分子筛膜，从此分子筛膜的制备和应用研究发展很快。现在已在多种载体表面(如多孔不锈钢基膜，多孔氧化铝基膜等)合成了MFI(包括ZSM-5、Silicalite-1)、A型、Y型、AIPO₄-5、L型、SAPO-34、FER、MOR等分子筛膜，制备的分子筛膜有自支撑的分子筛膜，也有负载于致密或多孔载体表面的复合分子筛膜。分子筛膜的合成方法主要包括原位水热合成法、气相合成法、溶胶-凝胶法、间接生长法，纵观这些制备方法，有的方法如间接生长法，其制备过程比较繁琐；而另外一些方法如原位水热合成法、气相合成法等合成时间长(一般为几小时至数天)，合成条件难以控制。另外，现在合成的分子筛膜透置较低，难以实现实际的应用，合成高透量、高选择性的分子筛膜是中外学者奋斗的目标。

本发明的目的在于提供一种快速高效的合成分子筛膜的新方法—微波加热合成，用该方法合成的分子筛膜具有高的分离性能，且合成时间短。

本发明提供了一种合成分子筛膜的方法，其特征在于制备过程如下：

(1)分子筛合成液的配制，配方为aNa₂O∶Al₂O₃∶5SiO₂∶bH₂O，a＝5.0～50，b＝500～4000；

(2)将多孔基膜置于合成液中，利用微波加热合成，温度为50℃～100℃，合成时间为10～60分钟；

(3)洗涤烘干。

其中以a＝8.0～10.0，b＝800～1500为佳。

本发明提供的合成分子筛膜的基膜为多孔氧化物基膜，基膜的孔径为0.05～100μm，其中以0.1～10μm为佳；基膜的形状可为片状或管状，基膜表面可预涤晶种或不预涂晶种。

本发明提供的分子筛膜的制备方法，在微波加热10分钟后利用X-射线衍射(XRD)即能检测到A型分子筛膜的形成，加热15分钟后用扫描电子显微镜(SEM)观察到连续的分子筛膜已形成。

本发明使用微波加热技术使分子筛膜的合成时间缩短了10～30倍，从SEM图可以看到合成的分子筛膜晶粒均匀，分子筛膜较薄，从而有可能获得高性能的分子筛膜。

本发明合成的A型分子筛膜和羟基方钠石分子筛膜可以应用于气体分离，在温度为25℃和压差为0.1MPa的条件下，H₂/n-C₄H₁₀的理想分离系数分别为11.9和大于100，H₂透量分别为2.1×10^-6mol/m².s.Pa和0.114×10^-6mol/m².s.Pa，高于文献报道的A型分子筛膜的分离性能。

本发明合成的A型分子筛膜可应用于渗透汽化分离，在温度为70～75℃，渗透侧的真空度为200～400Pa的条件下，合成的A型分子筛膜的乙醇/水的理想分离系数为1000～10000，透量为0.5～1.0kg/m².h。

本发明开发了快速合成高分离性能分子筛膜的方法，与常规加热合成的分离筛膜相比，不仅合成时间缩短，而且分离性能有一定的提高。下面通过实施例详细加以说明。

附图1为微波加热合成分子筛膜示意图。

附图2为实施例1合成分子筛膜的X-射线衍射图。

附图3为实施例1合成分子筛膜的扫描电子显微镜图。

附图4为实施例2合成分子筛膜的X-射线衍射图。

附图5为实施例2合成分子筛膜的扫描电子显微镜图。

附图6为实施例3合成分子筛膜的X-射线衍射图。

附图7为实施例3合成分子筛膜的扫描电子显微镜图。

附图8为实施例4合成分子筛膜的X-射线衍射图。

附图9为实施例4合成分子筛膜的扫描电子显微镜图。

附图10为实施例5合成分子筛膜的X-射线衍射图。

附图11为实施例5合成分子筛膜的扫描电子显微镜图。

实施例1 A型分子筛膜的制备

合成分子筛膜所用的基膜为α-Al₂O₃基膜，其孔径为0.1～0.3μm，孔隙率为50％。基膜的形状为片状，直径为30mm，厚度为2mm。基膜在使用前用细砂纸打磨平整，蒸馏水中超声波洗涤，然后烘干备用，烘干后的基膜表面可以不作任何处理直接用于合成或表面预涂晶种后再用于合成。

合成分子筛膜的合成液按如下方法配制：

溶液(1)：74.1克NaOH溶于159毫升去离子水中，然后加入1克金属铝箔，溶解即得溶液(1)；

溶液(2)：将17.74毫升硅溶胶和159毫升的水混合在一起得溶液(2)，其中硅溶胶中含SiO₂为27wt％。

待配得溶液(1)和溶液(2)之后，将溶液(1)加入搅拌中的溶液(2)中，混合均匀直至得到透明的溶胶，最终得到的溶胶的配方为50Na₂O∶Al₂O₃∶5SiO₂∶1000H₂O。

将未涂晶种的膜片用支架固定，垂直放置于聚四氟乙烯合成釜中(如图1所示)，然后将合成液转入合成釜之中，置于微波炉之中，在60秒之内迅速升温至90℃，然后降低微波炉的功率，维持合成液的温度为90℃，10～15分钟即得分子筛膜。合成后的膜片经去离子水洗涤至中性为止，然后经150℃加热烘干3小时，烘干后的分子筛膜经X-射线衍射为A型分子筛膜(如图2所示)。从衍射峰看A型分子筛的衍射峰较弱表明合成的分子筛膜尚不完整。扫描电子显微镜证实形成的膜不完整(如图3所示)。

实施例2 A型分子筛膜的制备

按实施例1配得合成溶胶，将涂有晶种的膜片用支架固定，垂直放置于聚四氟乙烯合成釜中，然后按实施例1相同的条件合成，合成后洗涤烘干。烘干后的分子筛膜经X-射线衍射为A型分子筛膜，而且A型分子筛的衍射蜂较强(如图4所示)，扫描电子显微镜观察到已有连续的分子筛膜形成(如图5所示)，而且分子筛膜晶粒均匀，分子筛膜的厚度为5μm，厚度较薄，从而有可能获得高性能的分子筛膜。

实施例3 A型分子筛膜的制备

按实施例1配得合成溶胶，将实施例2合成得到的膜片用支架固定，垂直放置于聚四氟乙烯合成釜中，按实施例1相同的条件进行二次合成，合成后的膜片洗涤烘干。烘干后的分子筛膜的X-射线衍射谱图显示A型分子筛的衍射峰消失，表明A型分子筛在合成条件下已溶解转晶，同时有几组较弱的衍射峰存在，尚未确证该物种(如图6所示)。扫描电子显微镜观察表明分子筛膜已溶解，表面仅有散落的分子筛簇存在(如图7所示)，扫描电子显微镜对膜片的侧面观察表明分子筛膜层已消失。

实施例4 A型分子筛膜的制备

按实施例1配得合成溶胶，将实施例3合成得到的膜片用支架固定，垂直放置于聚四氟乙烯合成釜中。按实施例1相同的条件合成进行三次合成，合成后的膜片洗涤烘干，烘干后的分子筛膜的X-射线衍射谱图显示为X型分子筛和羟基方纳石分子筛衍射峰的叠加，表明A型分子筛在合成条件下转晶为X型分子筛和羟基方纳石分子筛(如图8所示)，扫描电子显微镜显示分子筛膜的厚度为10μm(如图9所示)。

实施例5羟基方钠石分子筛膜的制备

按实施例1配得合成溶胶，将涂有晶种的膜片用支架固定，垂直放置于聚四氟乙烯合成釜中，然后按实施例1相同的条件合成，改变合成时间为40～60分钟，合成后的膜片洗涤烘干，烘干后的分子筛膜经X-射线衍射为羟基方纳石分子筛膜，且羟基方钠石分子筛的衍射峰较强(如图10所示)，扫描电子显微镜显示分子筛膜晶粒均匀，覆盖满整个基膜表面且分子筛晶体相互交错生长形成完整的分子筛膜(如图11所示)，分子筛膜的厚度为5～6μm。

实施例6分子筛膜的气体分离性能

将实施例2、3、4、5所得的膜片进行气体渗透研究，在渗透温度为25℃和压差为0.1MPa的条件下的结果如表1所示：

           表1分子筛膜的气体渗透性能

                      渗透率单位：×10^-8mol/m².s.Pa

膜片编号	H2渗透率	N2渗透率	n-C4H10渗透率	H2/C4H10
					实施例2	213	66.6	17.9	11.9
实施例3	72.1	17.7	11.8	6.11
					实施例4	133	42.8	39.2	3.39
实施例5	11.4	4.38	＜0.1	＞114

由表可知，通过微波加热合成的A型分子筛膜具有良好的气体分离性能，H₂/n-C₄H₁₀的理想分离系为11.8，多次合成使A型分子筛膜转晶，气体分离性能下降，合成的羟基方纳石分子筛膜的H₂/n-C₄H₁₀的理想分离系数大于100。

实施例6分子筛膜的渗透汽化分离性能

将实施例2所得的膜片进行渗透汽化分离研究，在渗透温度为70～75℃和渗透侧的真空度为200～400Pa时，水/乙醇溶液的分离系数为1000～5000，透量为0.5～1.0kg/M².hr。

比较例1

(1)日本Yamaguchi大学的Kita教授从凝胶体系出发在多孔氧化铝基膜上合成了A型分子筛膜，其配方为：2Na₂O∶Al₂O₃∶2SiO₂∶160H₂O，合成温度为100℃，合成时间为3小时。他们将合成的分子筛膜应用于有机物/水渗透汽化分离之中，10wt％水/乙醇在75℃时分离系数为10000，透量为2.0kg/m².h.(摘自日本公开特许专利JP 08,318,141)。与我们的合成相比，采用的合成体系与我们相差较大，他们为凝胶体系，而我们为溶胶体系。从合成条件看，我们的合成条件为90℃，15分钟；而他们为100℃，3小时，可以看出尽管我们的合成温度较之低10℃，应用微波加热技术还是大大缩短了合成时间。在液体的渗透汽化分离方面，我们合成的膜的分离系数与他们相当，而透量较他们的低。分析原因为我们合成时采用溶胶体系，有可能在基膜的膜孔内也合成了分子筛，Kita教授等没有将分子筛膜应用于气体分离，我们将之应用于气体分离并显示了较好的分离性能。

比较例2

(2)世界专利PCT/GB95/0221采用和我们相同的配方用常规加热的方法在涂有晶种的多孔金属基膜上合成了A型分子筛膜，其合成温度为90℃，时间为3小时。与我们的微波加热合成相比，我们的合成速度较之快了12倍。他们合成的分子筛膜也应用于有机物/水的渗透汽化分离。在未作合成后处理前，分子筛膜对8.8wt％的水/异丙醇溶液的分离系数为13.5，透量为3.2kg/m².hr，与我们合成的分子筛膜相比，透量较我们大将近一个数量级，但分离系数却要小两个数量级。

比较例3

(3)英国Manchester大学的Budd教授采用和我们相同的配方在多孔氧化锆/Ni-Cr合金网基膜上合成了A型分子筛膜。他们采用的合成条件为50℃，48小时，他们将合成的分子筛膜应用于醇/水渗透汽化分离。异丙醇/水的分离系数为1000～10000，透量在0.5kg/m².hr左右(摘自Microporous Materials，vol.12，1997，p305)。我们采用的微波加热合成尽管温度比他们高，但合成的速度明显较之他们提高，我们合成的A型分子筛膜的乙醇/水的分离系数为1000～5000，透量为0.5～1.0kg/m².hr，分离性能与之相当。

比较例4

(4)日本Kyushu大学的Morooka教授采用常规加热的方法从溶胶出发合成了A型分子筛膜并将之应用于气体分离，其合成的配方为2Na₂O∶Al₂O₃∶2SiO₂∶120H₂O，在35℃时H₂/C₃H₈的理想分离系数为10左右，H₂的透量为10^-7mol/m².s.Pa.(摘自Journal of Membrane Sciences，vol.141，1994，p197)。我们的合成也是从溶胶出发，但配方和我们相差较大，而且在他们的配方比例下，我们不能配出溶胶体系。我们合成的分子筛膜在25℃时为H₂/n-C₄H₁₀的理想分离系数为11.9(n-C₄H₁₀和C₃H₈具有相同的动力学直径)，H₂的透量为2×10^-6mol/m².s.Pa.，其分离性能和Morooka他们合成的A型分子筛膜相当，透量较之提高了20倍，这充分显示了微波加热合成分子筛膜的优越性。

Claims (5)

1.一种微波加热合成分子筛膜的方法，其特征在于制备过程如下：

(1)分子筛合成液的配制，配方为aNa₂O∶Al₂O₃∶5SiO₂∶bH₂O，a＝5.0～50，b＝500～4000；

(2)将多孔基膜置于合成液中，利用微波加热合成，温度为50℃～100℃，合成时间为10～60分钟；

(3)洗涤烘干。

2.按权利要求1所述微波加热合成分子筛膜的方法，其特征在于：其中a＝8.0～10.0，b＝800～1500。

3.按权利要求1所述微波加热合成分子筛膜的方法，其特征在于：多孔基膜为多孔氧化物基膜，基膜孔径为0.05～100μm。

4.按权利要求3所述微波加热合成分子筛膜的方法，其特征在于：基膜孔径为0.1～10μm。

5.按权利要求1、2、3或4所述微波加热合成分子筛膜的方法，其特征在于：在微波加热合成前，将多孔基膜表面涂一层分子筛晶体作晶种。

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