afi型分子筛膜的制备及其气体分子渗透分离性能与研究.pdf

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摘要

AFI 型分子筛具有平行晶体长轴的一维孔道结构,因此在合成分子筛膜的同
时晶体必须有着有序的方向才可能使其真正用于实际的分离和组装功能材料等
方面。现在制备的 AFI 型分子筛膜绝大多数都是不定向的,而制备连续、致密、
缺陷少的 c 轴定向 AFI 型分子筛膜一直是一大难题。
本论文从水热合成和自组装入手,选取 AFI 分子筛为研究对象,以多孔
α-Al2O3 陶瓷片为载体,针对 AFI 分子筛的制备,晶种层的制备以及 AFI 分子筛
膜在多孔α-Al2O3 载体上的取向进行研究,同时对合成的不定向和定向分子筛膜
进行气体分子渗透性能的测试。
首先,研究了 AFI 分子筛的制备,考察了晶化液中溶液的浓度、晶化温度、
晶化时间,有无搅拌和添加硅溶胶对 AFI 晶粒合成的影响。结果表明前驱体中添
加硅溶胶、晶化温度为 180°C、晶化过程中搅拌和晶化时间 2 h,可制得晶粒大
小相对均一、长径比为 3~4,表面相对光滑的 SAPO-5 晶粒。
之后,采用不同的方法合成分子筛膜。首先,利用直接原位合成法在α-Al2O3
载体上合成 AFI 膜。发现改变不同的浓度和水热晶化温度均无法实现 AFI 晶体
在载体上连续生长,形成的膜的缺陷比较大。而后,利用二次生长法的方法在
α-Al2O3 载体上合成了 AFI 不定向膜。研究了晶体涂覆方式、悬浮液浓度以及二
次长膜中各类工艺条件对 AFI 膜生长的影响。研究结果表明,采用短时间连续多
次 dipcoating 涂覆的方法有助于获得覆盖度高且厚度适中的 AFI 晶种层;在二次
长膜过程中,通过对工艺条件的优化,获得连续致密生长的 AFI 膜层。
进一步研究了合成条件对膜的合成以及取向性的影响。首先,利用长径比较
小的片状 AFI 晶粒作为晶种,在多孔α-Al2O3 载体上采用 dip-coating 法,超声自
组装法来获取 c 轴取向的晶种层;然后,考察了溶液浓度和晶化温度对二次定向
生长的影响,通过优化实验条件,合成出了紧凑而高度 c 轴取向的 AFI 分子筛膜。
最后,研究了单气体分子组份在载体、AFI 不定向膜和定向膜的渗透扩散行
为。研究结果表明:单组份气体分子 H2、He、CO、N2 和 CO2 在载体和 AFI 分
子筛膜上的渗透行为符合 Knudsen 扩散规律;而 SF6 分子在 AFI 分子筛膜上的渗
透行为属于活化扩散过程。通过比较定向膜和不定向膜的渗透数据,发现定向分
子筛膜比不定向膜有着更高的扩散速率,可以有效提高膜对气体分子的渗透量。

关键词:AFI, 水热合成,自组装, 渗透扩散, 定向, 分子筛膜
i
ii
ABSTRACT

AFI-type zeolite crystal has a one-dimensional system of intersecting channel
with subnanometer pore size( nm) parallel to the crystal long axis of the pore
structure. It can actually spent on the actual separation and assembly of functional
materials in the synthesis of zeolite membrane, while the crystal must have orderly
direction. Presently a majority of the AFI zeolite membrane