三氟丙基修飾二氧化硅膜的制備及氫氣分離研究.pdf

1、微孔SiO2膜機(jī)械強(qiáng)度高、高溫穩(wěn)定性好、能耐各種酸堿性介質(zhì)的腐蝕,在涉及到高溫和腐蝕性氣體的分離過程中具有其它膜材料無可比擬的優(yōu)越性,但SiO2膜具有很強(qiáng)的親水性,不能在濕熱環(huán)境下使用,通過表面改性制備水熱穩(wěn)定性良好的微孔SiO2膜是當(dāng)前膜科學(xué)領(lǐng)域的研究方向。 本論文主要采用三氟丙基三乙氧基硅烷(TFPTES)與正硅酸乙酯(TEOS)在酸性條件下共水解縮聚反應(yīng),將疏水基團(tuán)三氟丙基修飾到SiO2溶膠中去,在潔凈室的條件下利用dip

2、-coating技術(shù),將改性后的溶膠涂覆到多孔的γ-Al2O3/α-Al2O3載體上,得到以γ-Al2O3/α-Al2O3為支撐體的微孔SiO2膜。應(yīng)用掃描電鏡(SEM)、FT-IR、N2吸附、光學(xué)接觸角測量儀、熱重分析(TG)以及29Si魔角旋轉(zhuǎn)固體核磁共振(29Si MAS NMR)等測試手段表征膜材料的形貌、孔結(jié)構(gòu)和疏水性能,探討三氟丙基修飾的微孔SiO2膜疏水機(jī)理；并在自制的氣體分離設(shè)備中,研究H2和CO2在疏水微孔SiO2膜中

3、的輸運和分離行為。 實驗結(jié)果表明,三氟丙基基團(tuán)修飾的SiO2膜的孔結(jié)構(gòu)依然為典型的微孔結(jié)構(gòu),孔徑分布在0.4～1.7nm之間,分布狹窄；修飾后SiO2膜表現(xiàn)出良好的疏水性能,并且材料的疏水性隨著TFPTES添加量的增加而增強(qiáng),當(dāng)TFPTES/TEOS的摩爾比等于0.6時,膜材料對水的接觸角達(dá)115.0°±1.2°；三氟丙基基團(tuán)成功修飾到膜材料表面是修飾后膜材料疏水性提高的原因；修飾后的膜材料置于潮濕環(huán)境下陳化30d后孔結(jié)構(gòu)幾乎沒

4、有發(fā)生改變,保持了良好的微孔結(jié)構(gòu),而未修飾的膜材料陳化相同時間后孔結(jié)構(gòu)由典型微孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻榭捉Y(jié)構(gòu)。 氣體滲透與分離實驗表明,隨著溫度的升高,H2滲透率不斷增大,且分離系數(shù)大于Kundesn擴(kuò)散分離系數(shù),300℃時,H2滲透率達(dá)到1.42×10-6mol·m-2·Pa-1·s-1,H2/CO2分離系數(shù)提高到7.4,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Knudsen擴(kuò)散的滲透選擇性因子,說明H2在三氟丙基修飾后的微孔SiO2膜中的輸運遵循微孔擴(kuò)散機(jī)理。在30