沸石/炭杂化膜的制备及其气体分离性能

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气体分离膜具有分离效率高、能耗低、操作简单等优点,近年来得到了迅速的发展。聚合物膜由于难以超越Robesen上限,不耐高温、不耐腐蚀等缺点制约了其在气体分离领域的广泛应用。炭膜,因其具有发达的可区分气体分子尺寸大小的纳米级超细微孔结构,良好的热稳定性和化学稳定性,在气体分离领域显示出巨大的潜力。但目前炭膜渗透性仍然较低,难以满足工业化应用要求。为了解决这一难题,我们将具有规则微孔孔道结构的沸石分子筛,掺入炭膜前驱体,制备的沸石/炭杂化膜在保持高O2/N2选择性的前提下,其渗透性能显著提高。本论文以聚酰胺酸为前驱体,分别掺杂ZSM-5型、β型、Y型沸石经高温炭化制备了三种沸石/炭杂化膜,通过纯组分气体(H2,CO2,O2,N2)的渗透实验对杂化膜的气体渗透性能进行测定,使用透射电镜(TEM),X射线衍射(XRD)对杂化膜的微结构进行表征。研究了沸石的含量,粒度,孔道结构,热稳定性对沸石/炭杂化膜的微结构和气体渗透性能的影响。结果表明,随着膜内沸石含量的提高,沸石/炭杂化膜的气体渗透性能明显提高,选择性下降。炭化温度为700℃,沸石含量为15%的Y型沸石/炭杂化膜O2的气体渗透系数为501 bareer,O2/N2选择性为15.6。由沸石团聚而导致沸石粒度的增大对沸石/炭杂化膜气体渗透性能影响很小,但会降低气体的选择性,而由沸石单晶粒径的增大而导致沸石粒度的增大会使沸石/炭杂化膜气体渗透性增强,选择性降低。沸石孔径的增大会减小气体在沸石/炭杂化膜中的扩散阻力,导致β型沸石/炭杂化膜的气体渗透性大于ZSM-5型沸石/炭杂化膜。沸石阳离子的改变会影响沸石对极性气体的吸附能力,由于NaY型沸石对CO2较强的吸附作用导致CO2在NaY型沸石/炭杂化膜的渗透系数小于HY沸石/炭杂化膜的渗透系数。炭化温度会对沸石/炭杂化膜的气体分离性能产生重要影响。随着炭化温度的升高,沸石/炭杂化膜的气体渗透性下降,选择性升高。当炭化温度从700℃升高到800℃后,β型沸石/炭杂化膜和Y型沸石/炭杂化膜的气体渗透系数都会显著降低,但是热稳定性较差的Y型沸石制备的沸石/炭杂化膜的晶体结构被破坏,其气体渗透系数接近纯炭膜的气体渗透系数。
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