论文总字数：25280字

摘 要

化石燃料的过度燃烧带来了一系列的环境污染和资源短缺的问题，这其中温室效应主要由CO₂的过度排放造成，并且它与天然气共存的时候会降低天然气的能量含量。在气体分离领域有广阔前景的分子筛膜成为研究的热点。众多分子筛膜中，DDR分子筛膜因具有独特的结构特点使其得到广泛的关注，我们通过改变分子筛膜合成液中水含量摩尔比使得分子筛膜的厚度降低，从而增加其CO₂气体渗透性。

本文的研究内容为在四通道中空纤维氧化铝载体的外表面通过晶种诱导、水热合成法制备得到超薄DDR分子筛膜，通过改变合成液中水含量摩尔比减小膜的厚度，从而获得较高的CO₂气体渗透性。通过SEM表征可看出制备得到的膜层交互生长性良好，连续且致密，随着水含量摩尔比增加膜层变薄，当合成液中水含量摩尔比从4000增加到7000时，膜层厚度由5 µm减小为2.6 µm。合成液水含量摩尔比为6000时制备出来的超薄DDR分子筛膜膜厚为2.9 µm。通过XRD表征可得出其纯度和结晶度较高。在CO₂/CH₄双组分气体分离性能测试中，当操作温度为298 K，进料压力为0.2 MPa时，CO₂渗透性高达7.7×10^-8 mol m^-2 s^-1 Pa^-1，CO₂/CH₄双组分气体选择性为311。随着进料温度和进料压力的升高，CO₂渗透性降低，CH₄渗透性略有升高，CO₂/CH₄选择性降低。

关键词：超薄DDR分子筛膜 二次水热合成 CO₂/CH₄分离

Preparation and Gas Separation of Hollow Fiber Ultra-thin DDR Zeolite Membrane

ABSTRACT

The over-burning of fossil fuels has led to a series of environmental pollution and resource shortages, including the greenhouse effect caused by over-emissions of CO₂, which reduce the energy content of natural gas when it coexists with natural gas. In all separation methods, zeolite membrane, which has broad prospects in the field of gas separation, has become a hot topic of research. Among many zeolite membranes, DDR zeolite membrane has attracted wide attention because of its unique structural characteristics. The thickness of the zeolite membrane was reduced by changing the water content in the synthesis precursor, thereby increasing its CO₂ permeance.

The research content of this paper was to prepare ultra-thin DDR zeolite membrane on the outer surface of four-channel hollow fiber alumina support by seed induction and hydrothermal synthesis method. By changing the water content of the synthesis precursor, the thickness of the membrane layer was reduced, resulting in higher CO₂ gas permeance. SEM results illustrated that the membrane layers of the prepared zeolite membranes were continuous and dense. As the water content increases, the membrane layer became thinner. When the water content molar ratio in the synthesis precursor increased from 4000 to 7000, the membrane thickness decreased from 5 µm to 2.6 µm. When the water content molar ratio of the synthesis was 6000, the thickness of the ultra-thin DDR zeolite membrane prepared was 2.9 µm. XRD characterization shows that its purity and crystallinity are high .In the CO₂/CH₄ gas separation performance test, when the operating temperature was 298 K and the feed pressure was 0.2 MPa, the CO₂ permeance was as high as 7.7×10^-8 mol m^-2 s^-1 Pa^-1, and the CO₂/CH₄ separation selectivity was 311. As the feed temperature and feed pressure increase, the CO₂ permeance decreased, the CH₄ permeance increased slightly, and the CO₂/CH₄ separation selectivity decreased.

Keywords: Ultra-thin DDR zeolite membrane；Secondary hydrothermal synthesis；CO₂/CH₄ separation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1前言 1

1.2膜分离技术 2

1.2.1 气体分离膜简介 3

1.2.2 膜的分类 3

1.2.3 分子筛膜的合成方法 4

1.3 DDR分子筛介绍 5

1.4 DDR分子筛膜简介 7

1.4.1 DDR分子筛膜研究进展 7

1.4.2 DDR分子筛膜合成过程中目前存在的问题 9

1.5 超薄负载型DDR分子筛膜制备研究进展 10

第二章 实验部分 11

2.1实验试剂与仪器 11

2.2分子筛膜的制备 11

2.2.1球磨Sigma-1分子筛的制备 11

2.2.2 DDR分子筛膜的制备 12

2.2.3低温臭氧煅烧脱除模板剂 12

2.3超薄DDR分子筛膜的表征方法 13

2.3.1 SEM表征介绍 13

2.3.2 XRD表征介绍 13

第三章 结果分析 15

3.1超薄DDR分子筛膜的表征 15

3.1.1 SEM表征 15

3.1.2 XRD表征 16

3.2超薄DDR分子筛膜气体分离性能 16

3.2.1合成液水含量的影响 16

3.2.2温度的影响 17

3.2.3进料压力的影响 18

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2展望 20

参考文献 21

致 谢 25

第一章 文献综述

1.1前言

地球上CO₂气体的排放大部分是由于石油天然气燃烧产生气体排放等一系列人类日常生产活动造成的。目前工业上对于回收分离主要采用CO₂捕集和存储技术(carbon and capture and storage, CCS)被广泛认为是当今控制CO₂气体排放最为有效的方法之一。当今人们越来越一致地觉醒到全球气候正在广泛而逐渐发生变化，有许多气候专家和科学家认为，温室气体如CO₂气体被人为排放到空气中是其中的一个最主要原因^[1]。在美国，目前 85%以上的能源需求来自于化石燃料，美国能源部估计，在未来20年内，化石燃料的消耗总量将在现有的基础上增加 27%，预计到 2030 年，美国的二氧化碳排放量将从目前的每年60亿吨增加到每年80亿吨^[1]。

一些全球性的问题已经凸显出来，正是由于CO₂的排放所致，例如温室效应加剧、海洋酸化日益严重以及很多物种濒临灭绝。同时，CO₂也是石油化学工业主要的污染物，这类组分不仅影响产品质量，而且形成酸液，严重腐蚀设备和管路。大量的 CO₂不仅造成环境方面的问题，同时它也是石油化学工业领域主要的污染物，而且还会降低天然气的能量含量，因为在它与水共存时，由于具有酸性，这会腐蚀天然气运输过程中的天然气管道管壁和其储存系统^[2]。同时还会造成资源短缺等一系列棘手的问题。目前各国迫切需要一种更加清洁、安全、且可靠的能源来保障国内经济持续稳定的发展^[3]。目前被广泛接受的天然气能源正是一种主流选择，目前从这类二氧化碳氢气气流中脱除CO₂的主要技术是在利用吸收单元操作于水溶液中吸收^[4]。因之如何更高效分离CO₂和CH₄则成为研究难点，根据CO₂的排放形式，目前工业上CO₂的捕获技术主要分为三类，按照捕集时间可分为燃烧前捕获、燃烧后捕获以及富氧燃烧。

请支付后下载全文，论文总字数：25280字