基本信息
- 项目名称：
- 高效分离多孔陶瓷基负载型分子筛膜的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 市场上无机分子筛膜在制备和膜厚度方面存在缺陷，成为分离技术发展的瓶颈。而本项目在生产工艺上进行创新，采用先进的晶种预涂法和水热合成法的相结合，在多孔陶瓷基上制备取向一致、清晰无列缺，连续的丝光沸石分子筛膜。使膜厚≤10um，达到国际先进水平。由于生产过程中不易产生缺陷，分子筛膜的性能得到很大提升，在同类产品中具有绝对优势。并且由于其操作过程新颖简单，能更加符合目前市场的需求。
- 详细介绍：
- 近年来无机膜，特别是陶瓷膜和陶瓷基复合膜作为新型的膜材料，在近十年来发展迅速引起了工业领域的广泛关注。但目前我国国内对于无机沸石分子筛膜的应用还处于摸索阶段。多数的无机沸石分子筛膜应用于低端产业。所需要的高品质，科技含量较高的无机膜，仍需要进口国外的产品，而市场上对于高质量无机膜仍是供不应求的状况。 为了达到在缓解市场需求压力的同时缩短国产与进口高品质无机膜在性能上的差距，并为我国高品质无机膜市场提供一种工艺流程简单，产品质量稳定，能耗低，无污染的绿色制备方法。 本项目采用的分子筛膜是丝光沸石，丝光沸石(|Na8+(H2O)24 |[Al8Si4 0O96]-MOR) 属于正交晶系，空间群为Cmcm, 晶胞参数a=18.1Å, b=20.5Å, c=7.5Å[101] , 骨架密度为 17.2T/1000Å3。图中给出了丝光沸石的骨架结构图。沿[010]方向，也存在着8 员环直孔道。十二员环窗口呈椭园形，直径为6.5×7. 0Å。8 员环窗口的直径为2.6×5.7Å 。丝光沸石中含有由12 个T 原子构成的T12 单元。丝光沸石的结构和特点，完全符合做沸石分子筛膜的无机膜。这就为沸石分子筛膜在结构上提供了科学依据。 本项目的采用的陶瓷基是氧化铝陶瓷基，采用反应结合成型工艺方法，该工艺过程具有烧结温度较低、力学性能好、体积收缩小及制备成本低等优势。该工艺在起始原料中加入金属铝粉，成型后生坯在空气中加热，铝粉发生氧化反应生成氧化铝。这个反应伴随着体积膨胀效应，可以弥补烧结过程中的体积收缩，降低坯体收缩率。新生的氧化铝颗粒非常细小，具有非常高的活性，可以降低烧结温度。此外，由于新生的细微结构，使其强度得到了明显的改善。 本项目采用的方法是晶种预凃法，晶种预涂法是国际上认可度极高的且最有发展前途的沸石膜制备方法。 这种方法包含两大步骤: 首先是在氧化铝陶瓷上涂布纳米沸石晶体当做晶种, 第二步是在特定的水热条件中控制晶体的生长, 从而可以消除晶体间的空隙而形成连续的沸石层。 本项目研究的关键是在孔径均匀的多孔Al2O3基体上制备出一层或多层取向一致的分子筛膜，利用晶种预涂法，控制筛膜分子取向，分子筛膜的孔径范围在2nm以下，使膜厚在5-12um之间。沸石薄膜是将沸石相生长在多孔载体上，沸石分子筛的c轴方向多数垂直于多孔陶瓷膜表面。本项目欲解决的关键问题是控制沸石分子筛膜的厚度和取向，这对于气体分离效率非常重要。所以应控制沸石分子筛膜的反应时间、反应溶液的浓度及配比等多种因素，达到最好的气体分离效果。 这种新型的分子筛膜最终在性能上了有了很大的提升，经过实验测定，其水/醇溶液的分离系数远高于同类产品
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.目的： 陶瓷基复合膜在许多领域中具有显著的优势，给若干重大工程问题提供了有希望的技术路线。然而如今市场上负载型分子筛膜在制备以及膜厚两方存在缺陷：制备方法多为水热合成法，制成的膜取向一致性不高；目前市场上的负载型分子筛膜的膜厚多为10-50um。为了克服这些缺点，并且制备性能更加先进的分子筛膜，利用丝光沸石分子筛膜的优势以及晶种预涂法，我们希望制得一种具有很高的取向度、分子筛膜厚度为5-12um的负载型分子筛膜。 2.创新点： （1） 生产工艺的创新：采用晶种预凃法 控制沸石分子筛膜的生长取向 （2）技术的创新：丝光沸石分子筛膜的厚度在5-12um （3）产品性能的创新：多孔陶瓷基上生长的分子筛膜，取向一致，对醇水溶液具有很好的分离性能 3.基本思路： 利用晶种预涂法在多孔陶瓷基上制备取向一致的丝光沸石分子筛膜，这种方法包含两大步骤: 首先是在氧化铝陶瓷上涂布纳米沸石晶体当做晶种, 第二步是在特定的水热条件中控制晶体的生长, 从而可以消除晶体间的空隙而形成连续的沸石层，并研究其分离性能。 4.技术关键： 丝光沸石分子筛膜取向一致，厚度在5-12um之间。 5.主要技术指标: （1）膜厚度≤10um （2）膜的水/ 甲醇分离系数达2000( Xw=50%K) （3）多孔陶瓷负载膜的化学稳定性（耐酸碱性）：达到10-5%.day-1.cm-2以下 （4）机械强度：抗弯强度〉400
科学性、先进性
- 科学性：目前，市场上先进的A型分子筛膜在制备过程中会产生缺陷孔，降低了膜的分离性能。而我们研究的利用晶体预涂法合成的丝光沸石分子筛膜不仅取向一致，所得膜连续、清晰无列缺；生产过程中不易产生缺陷。同时丝光沸石膜具有互相平行椭圆形孔道，是一类具有高硅铝比的亲水性沸石 ,所以制成的筛膜具有很高的分离性能。经过实验测试，这种分子筛膜的水/ 甲醇、水/乙醇、水/ 正丙醇的分离系数最高可分别达到2700( Xw= 50% K) , 3900 ( X w=50%) , 4100( Xw= 15%)。除此之外，目前国内外生产的分子筛膜其膜的厚度多为10-50um之间，我们制得的分子膜厚度为5-12um,更加先进。 先进性：1、用晶种预涂法及水热合成法在多孔氧化铝陶瓷管上合成出丝光沸石膜.用扫描电镜、X射线衍射和核磁共振等手段对所制得的沸石膜进行了表征,证明其交联良好、覆盖完全、附着强度高。2、丝光沸石膜能选择性地透过水,其水/醇分离效果好，分离程度高。3、膜的厚度在5-12um之间，具有领先水平。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年3月31日至4月2日经辽宁省电子技术情报所查新，查新结论为：“高效分离多孔陶瓷基负载型分子筛膜的制备”在国内未见文献报道。 2011年3月26日本研究相关论文《丝光沸石/氧化铝陶瓷膜的合成及渗透分离性能的研究》通过了《辽宁化工》审查，拟在2011年7月第7期出版。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术合作与有偿转让相结合
作品可展示的形式
- 实物产品、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、结合晶种预涂法以及水热合成法，首先是在氧化铝陶瓷上涂布纳米沸石晶体当做晶种，然后在特定的水热条件中控制晶体的生长，从而可以消除晶体间的空隙而形成连续的沸石层。利用晶种预涂法控制分子取向形成连续的沸石层，并控制其厚度达到国内外先进水平。 2、多孔氧化铝具有高强度、耐高温，抗热震性能好、热膨胀率低和高热传导性等优点，而且价格低廉，是一种优良的高温催化剂。而丝光沸石分子筛具有独特的孔道结构、非常强的离子交换能力和高的热稳定性能，与工业上几种常用物质的分子动力学直径相接近，具备良好的筛分效应以及很好的耐热稳定性，并且其本身具有不错的催化功能，在催化与分离方面可以实现很好结合。丝光沸石无机膜具有高的热稳定性和耐酸性等优点，因此在有机酸脱水及膜反应器等方面具有很好的应用前景，可广泛应用于石油加工与精细化工工业。 3.由于先进的制备方法，所制成的膜在分离性能上有了很大的进步，符合现如今市场的需求。同时，其操作过程简单，成本低廉，适合工业化生产，更具市场竞争力，能带来更多的经济效益
同类课题研究水平概述
- 世界各国都把膜技术放在极其重要的地位进行开发，任何化学化工和冶金反应过程总是包含原料的纯化和产品的提取、浓缩、净化以及废物的管理和循环应用等，这一切都要用到分离工艺，而且往往涉及高温和其他恶劣环境，而这些步骤总是耗用很大比例数的设备投资和高额操作费用。采用陶瓷基复合膜分离过程在大大减少上述两个方面的资金消费上具有潜力和希望，同时减轻劳动强度，节约能源。因而陶瓷基复合膜分离过程及其相应技术在化工、冶金、食品、医药、生物技术和环境治理等部门都得到了愈来愈广泛的应用。 目前国内外陶瓷基负载型的分子筛膜的种类不断增多，性能也逐步提升。丝光沸石具有互相平行椭圆形孔道，孔径范围为O.695nm×O.581nm，晶胞组成为Na8[(AlO2)8(SiO2 ) 40]]24H20，是一类具有高硅铝比的亲水性沸石,所以制成的多孔陶瓷基丝光沸石分子筛膜具有很高的分离性能。目前市场是用的丝光沸石分子筛膜多为水热合成法制得的，其厚度多为10-50um。国内外常见制备分子筛膜的方法也多为水热合成法，分子筛膜厚度大多在10-50um之间。 水热合成法其操作简单成本低，但是所制成的分子筛膜在紧密性、取向一致性、连续性方面仍存在不足。目前市场上有种以四乙基溴化铵为模板剂在多孔材料上制备光沸石分子筛膜，这种多孔材料丝光沸石分子筛膜在膜的紧密性及连续性这两传统缺陷方面有了很大的进步。但是由于生产过程中添加了昂贵的有机模板剂，使其成本也提高了。 与此同时，晶种预涂法是目前被国内外一致认为最有发展前景的一种分子筛膜的制备方法，但其还未达到完全工业化应用。目前市场上有利用晶种预涂法制成的分子筛膜，例如A型分子筛膜，以特殊的孪生聚晶形式生长在一起，有效地消除晶粒间隙，可形成致密的均匀的分子筛膜层。然而在对分子筛膜进行高温活化处理过程中会产生一些缺陷孔，降低了膜的分离性能，仍然不够理想。
