论文总字数：17135字

摘 要

无机多孔分子筛材料由于具有高比表面积和吸附量，可调变的骨架组成，大小介于大多数分子尺寸范围之内等特征，因此在离子交换、非均相催化、吸附和膜分离等领域有着非常广泛的应用。

MFI型分子筛属于正交晶系，初级结构为TO₄(T=Si或Al)四面体。MFI型分子筛的孔道具有b轴方向上大小为0.54 nm×0.56 nm直通型和a轴方向上大小为0.51 nm×0.55 nm之字型二维十元环的孔道。取向研究为MFI型分子筛膜领域的研究热点。

本文采用水热合成法对MFI型分子筛及膜进行了合成。通过调控老化时间，得到不同微观结构和形貌的MFI型分子筛膜。并使用扫描电镜分析（SEM）、X射线衍射分析（XRD）、气体分离性能测试装置（单气体和混合气体分离装置）等表征手段对MFI型分子筛膜及膜进行表征测试。表征测试结果表明，在a-Al₂O₃支撑体上合成出具有（h0l）取向的致密的MFI膜层，通过气体渗透性测试表明膜对小分子气体如H₂、CO₂和CH₄有较高的渗透速率，而对丙烷和六氟化硫的渗透速率明显较低。所合成的膜对H₂/C₃H₈和H₂/SF₆的理想选择性分别高于20和200，表明膜具有低的缺陷密度。混合气体分离测试表明所合成的MFI膜对正丁烷/异丁烷具有很好的分离性能。随着温度从室温增加到150 ^oC，正丁烷透过MFI膜的渗透速率从5.7×10^-8 mol.m^-2.s^-1.Pa^-1增加到1.9×10^-7 mol.m^-2.s^-1.Pa^-1。而分离因子先增加再降低，在60℃时达到最高，为34。

关键词：水热合成；MFI型分子筛膜；表征；气体分离

Synthesis and Properties of light hydrocarbons

separation membrane

Abstract

Inorganic porous zeolite materials have high specific surface area and adsorption capacity, adjustable varying framework composition, size between most molecules within the size range and other characteristics. Zeolites had a wide application potential to the ion exchange, use as a heterogeneous catalysis, adsorption and membrane separation.

MFI-type zeolite was orthorhombic and owns primary structure TO₄ (T = Si or Al) tetrahedra. MFI-type zeolite has two dimensional 10-ring pore structures: a straight channel with window size of 0.54 nm×0.56 nmin baxis and a zigzag channel with window size of 0.51 nm×0.55 nmin a axis. Orientation control is the research hotpoint in view of the synthesis and application of MFI zeolite membrane.

In this paper, MFI zeolite and MFI zeolite membranes were synthesized by hydrothermal process.The orientation and morphology of MFI zeolite layer were regulated with the medication of synthesis conditions such as aging process.MFI zeolite membranes were characterized by scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD) and gas permeation test (single-gas and binary gas). Characterization results showed that a dense andh0l-oriented MFI layer was coated on the a-Al₂O₃ support.Single-gas permeation showed that smaller molecules such as H₂, CO₂and CH₄permeated fast though the membrane but the bigger molecules such as propane and SF₆ one to three orders of magnitude slower permeated the membrane. Ideal H₂/propane and H₂/SF₆selectivities were over 20 and 200, respectively, indicating that the membrane had few defects. MFI zeolite membrane displayed high separation performance toward n-butane/i-butane separations. The permeance of n-butane through a typical MFI membrane increased from 5.7×10^-8 mol.m^-2.s^-1.Pa^-1 to 1.9×10^-7 mol.m^-2.s^-1.Pa^-1 as temperature increased from room temperature to 150 ^oC.Separation factor had the highest value of 34 at 60 ^oC.

Key words: Hydrothermal synthesis; MFI-type zeolite membrane; Characterization; Gas separation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1气体分离 1

1.2气体分离膜 1

1.3沸石分子筛膜概述 1

1.4沸石分子筛膜的结构 1

1.5沸石分子筛膜的合成方法 2

1.5.1蒸汽相转化法 2

1.5.2水热合成法 3

1.5.3微波法 3

1.5.4溶剂合成法 4

1.6 MFI型分子筛膜的结构 4

1.7 MFI型分子筛膜的制备 4

1.8 MFI型分子筛膜的应用 5

1.9本课题的研究意义 5

第二章MFI分子筛及其膜的合成与表征 6

2.1实验部分 6

2.1.1实验试剂 6

2.1.2实验仪器 6

2.1.3实验方案 6

2.2表征方法 8

2.2.1.物理表征 8

2.2.2气体膜分离装置 8

第三章实验结果与讨论 10

3.1 MFI分子筛的表征 10

3.2 MFI分子筛膜的合成 11

3.3 MFI分子筛膜的性能测试 12

3.3.1单气体性能测试 12

3.3.2混合气体性能测试 16

第四章结论与展望 18

参考文献 19

致谢 22

第一章绪论

1.1气体分离

气体分离过程在能源转化、化工生产、食品加工等领域和日常生活中普遍存在。工业中使用的气体分离技术包括：冷凝、精馏、吸收等。随着科技的发展，气体分离技术也得到了空前的发展。研究者们先后研发出了超临界气体萃取分离技术、膜分离技术等新型工艺。其中，气体膜分离技术被誉为当今最有发展前景的技术^[1]。

1.2气体分离膜

作为高新技术，膜分离技术在二十一世纪得到大力发展。膜分离技术的原理是利用外界能量或化学位差提供能量，使气体或液体透过膜从而达到分离效果的目的^[2]。因而，膜分离技术一般不涉及相变，与其他分离技术相比具有节省能量、稳定性好、具有高分离性能等优点。气体分离膜材料的结构、组成和化学性质决定了膜分离的性能，即膜的应用体系。根据成膜材料的不同，目前使用的分离膜主要分为两类：高分子分离膜和无机膜。本文所研究的沸石分子筛膜属于无机膜一类，多孔材料等无机材料制得的膜也是该类^[3]。

1.3沸石分子筛膜概述

沸石分子筛以四面体骨架为结构，中心原子为Si、Al、B、Be、Fe等，它们都是以高价氧化态的形式出现。这些个不同的四面体作为基本组成结构，以顶点的氧原子相互结合，构成了不同的二级单元结构，再相互搭配连接组成了具有不同性能的沸石分子筛骨架结构。不同的动力学尺寸、不同的形状特征，造成了所形成的沸石分子筛膜的吸附体系的不同，即分离体系的多样化，这使得沸石分子筛膜被广泛应用于水处理、石油催化裂化、气体分离等诸多工业生产领域。

请支付后下载全文，论文总字数：17135字