SAPO-34分子篩膜的制備及氣體分離性能研究.pdf

1、在世界范圍內(nèi)CO2等酸性氣體的膜分離技術(shù)已成為最受矚目的重大課題之一。因?yàn)镃O2降低天然氣熱值，在水存在條件下具有酸性和腐蝕性而不利于運(yùn)輸和貯存，因而從CH4混合物中分離CO2在天然氣處理過(guò)程中是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前分離CO2的方法包括吸收與聚合物膜分離，但是吸收設(shè)備復(fù)雜且昂貴，較高的CO2分壓會(huì)塑化聚合物膜而降低其分離性能。而無(wú)機(jī)膜憑借著良好的機(jī)械穩(wěn)定性能、耐腐蝕性和較高的熱穩(wěn)定性特別是高CO2分壓下的穩(wěn)定性，對(duì)天然氣中CO2的處理具有

2、廣闊的應(yīng)用前景。
　　CO2的分子動(dòng)力學(xué)直徑為0.33 nm，CH4的分子動(dòng)力學(xué)直徑為0.38 nm，均遠(yuǎn)小于大孔與介孔分子篩的孔徑，所以對(duì)于僅依靠競(jìng)爭(zhēng)吸附的大孔、中孔分子篩膜，CO2/CH4分離選擇性較低。而DDR型(0.36×0.44 nm)、T型(孔徑0.36×0.51 nm)和SAPO-34(0.38 nm)等微孔分子篩孔徑與CH4氣體分子動(dòng)力學(xué)直徑相似，而又略大于 CO2氣體分子動(dòng)力學(xué)直徑，在分子篩分和競(jìng)爭(zhēng)吸附協(xié)同作用下

3、，這些分子篩膜具有較高的CO2/CH4分離性能。氣體膜分離過(guò)程目標(biāo)是高通量和高選擇性，兩者又互為制約關(guān)系，需要制備出超薄的連續(xù)分子篩膜。
　　利用原位水熱合成法在α-Al2O3載體表面制備SAPO-34分子篩膜，考察了合成液pH值、水含量和晶化溫度對(duì)分子篩膜的影響，優(yōu)化了反應(yīng)條件。由于受載體表面粗糙度的影響，難以在載體表面均勻成核，形成連續(xù)的分子篩膜，需要進(jìn)行多次合成才能得到連續(xù)SAPO-34分子篩膜，分子篩膜厚度在10μm左右。

4、通過(guò)低溫煅燒工藝脫除分子篩膜孔道中的模板劑后，在溫度為22℃，膜兩側(cè)壓差為0.14 MPa條件下，CO2/CH4分離選擇性為67，CO2滲透率為1.38×10-7 mol m-2·s-1·Pa-1。
　　為了得到具有高滲透通量的分子篩膜，利用二次生長(zhǎng)法在α-Al2O3載體表面制備出SAPO-34分子篩薄膜。首先通過(guò)加入晶種和微波輔助加熱的方法合成出具有較小顆粒尺寸的均勻SAPO-34分子篩晶體。通過(guò)預(yù)涂晶種改善α-Al2O3載體表

5、面性質(zhì)，經(jīng)二次生長(zhǎng)制備出連續(xù)的SAPO-34分子篩薄膜。通過(guò)SEM、XRD、FT-IR表征，表明合成的SAPO-34分子篩膜晶形完整，具有較高的結(jié)晶度，膜層厚度約為2～3μm。通過(guò)低溫煅燒工藝脫除分子篩孔道中模板劑后，在溫度為22℃，膜兩側(cè)壓差為0.14 MPa條件下，CO2/CH4分離選擇性為84，CO2滲透率為2.17×10-6 mol m-2·s-1·Pa-1。
　　金屬雜原子取代能夠改變分子篩的吸附性能和氣體分子在分子篩孔

6、內(nèi)的擴(kuò)散性能。為了提高SAPO-34分子篩膜CO2/CH4分離選擇性，首次通過(guò)金屬離子同晶取代法制備MeAPSO-34分子篩膜。根據(jù)SEM、XRD、FT-IR表征結(jié)果，表明金屬離子進(jìn)入分子篩骨架沒(méi)有降低分子篩的結(jié)晶度，并使分子篩顆粒尺寸變大。采用低溫煅燒工藝脫除模板劑后，在溫度為22℃，膜兩側(cè)壓差為0.14 MPa條件下，SrAPSO-34分子篩膜CO2/CH4分離選擇性為196，CO2滲透率為1.4×10-6 mol m-2·s-1·