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摘 要

渗透汽化膜分离技术作为一种新兴的高效、节能、环保的分离技术，引起了研究者的广泛关注。全硅MFI分子筛膜凭借其特定的骨架结构和极强的疏水性能，在乙醇/水分离体系中表现出优良的透醇性。但是研究表明，MFI分子筛膜在分离乙醇/水溶液时，膜表面会存在硅羟基而与乙醇发生反应，该反应极大的降低了MFI分子筛膜的醇/水分离性能。本实验提出假设，将MFI分子筛膜表面改性为亲水以减少膜表面与乙醇的接触，进而提高膜稳定性。此外，凭借其自身优良的疏水性能，建立高速水通道，达成高效分离水的目标。

本实验主要尝试采用ALD技术在MFI分子筛膜表层负载TiO₂，采用SEM、XRD等一系列表征方法探究在MFI分子筛膜表层修饰TiO₂亲水改性的可行性，并针对修饰前后的MFI分子筛膜进行渗透汽化表征实验，考察修饰TiO₂对MFI分子筛膜性能的影响并探究其中的规律。

结果表明，通过ALD技术能够良好的在MFI分子筛膜表面生成一层TiO₂层，且修饰后的膜的亲疏水性发生改变，水通量有所提高；伴随TiO₂沉积次数的增加，膜亲水性能持续加强；随着渗透汽化操作不断进行，TiO₂修饰之后的MFI分子筛膜分离因子不断升高，通量逐渐降低。

关键词： MFI分子筛膜 乙醇/水分离 渗透汽化 亲水改性

Study on Hydrophilic Modification of MFI Zeolite Membrane

ABSTRACT

Pervaporation has attracted large attentions because it is efficient, energy saving and environmentally friendly. Pure-silica MFI zeolite membrane has specific framework structure and excellent hydrophobicity, so that separation performance can be achieved for ethanol over water. It was shown the large reduction during pervaporation process, because of the reaction between ethanol and silanol groups on the membrane surface. Therefore, this experiment proposed whether MFI zeolite membrane could be hydrophilically to reduce the contact between the membrane surface and ethanol so that the membrane stability could be improved. In addition, high speed water channels could be set up to separate ethanol and water efficiently.

Atomic layer deposition (ALD) of TiO₂ was applied on MFI zeolite membranes which were characterized by X-ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscopy (FESEM) etc. to testify the feasibility of hydrophilic modification. Meanwhile, the pervaporation experiments of separating ethanol/water were conducted to investigate the laws of the separation performance for the modified MFI membranes.

The results showed that the TiO₂ layer could be formed on the surface of MFI zeolite membrane which turned hydrophilically by ALD technology. The flux of the modified MFI membranes also rose. With the addition of ALD cycles, the hydrophilic properties of the modified MFI membranes were strengthened. Besides, the longer the time of the pervaporation was, the larger the separation factors were and the flux of MFI zeolite membrane was worse.

KEYWORDS: MFI zeolite membrane; Ethanol/water separation; Pervaporation; Hydrophilic Modification;

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 渗透汽化技术 1

1.3 MFI型分子筛膜 2

1.4 本章小结 5

第二章 MFI分子筛膜表面亲水改性研究 6

2.1 前言 6

2.2 实验部分 6

2.2.1 实验试剂和仪器 6

2.2.2 MFI型分子筛膜的合成 7

2.2.3 MFI型分子筛膜的表征 8

2.4 实验结果与讨论 9

2.4.1 修饰前MFI分子筛膜 9

2.4.2 修饰后MFI分子筛膜 11

2.5 本章小结 18

第三章 结论与展望 19

3.1 结论 19

3.2 展望 19

参考文献 20

致谢 23

第一章 文献综述

1.1 引言

随着油气资源日益减少，开采成本和难度越来越高，环境污染日益严重，各国政府都在积极推进生物基产品和可再生能源的开发。燃料乙醇作为一种可再生能源，具有清洁、高效等特点，其对环境的污染远远小于煤和石油。当前主要通过玉米、木薯或纤维素等生物质发酵制得燃料乙醇，但由于乙醇对于发酵液的抑制作用^[1]，工业上往往需要采用传统能耗高且分离效率低的分离技术比如蒸馏技术等将质量分数一般低于10%的乙醇从发酵液中分离出来，而这种成本高而效率低的分离方式已经无法满足当今日益增长的社会需求并且与如今提倡的绿色化工理念背道而驰。

膜分离技术是一项新兴、高效的分离技术，具备节能、分离系数大、绿色环保、操作条件接近室温等一系列特点，已普遍运用在电工、生工、水处理、化学工程、制药等领域^[2,3]。其中，渗透汽化(Pervaporation)是最近几十年来新兴起的膜分离技术^[4]，在分离操作过程中，渗透汽化过程与传统分离技术如精馏等最大的区别在于其不受到气液相平衡的限制，主要凭借各组成溶解-扩散速率的差异从而达到分离的目的。这一特点使得渗透汽化膜分离技术在分离一些传统分离技术分离成本过高的体系如恒沸、热敏等都有着十分巨大的优势^[5]。除此之外，该技术对于醇/水混合溶液中微量组分的分离、废水中污染成分的净化等方面也有着显著的优越性^[6]。

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