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沸石分子筛膜的合成与应用论文
沸石分子筛膜的合成与应用
摘要: 介绍了沸石分子筛膜的种类、结构。介绍了几种沸石分子筛膜的合成方法。综述了沸石分子筛膜在液体分离、气体分离、催化反应、光学及光催化反应等高新技术领域的应用及存在的问题缩的新型分离技术。组分通过膜的渗透能力取决于分子本身的大小与形状、分子的物理、化学性质、分离膜的物理化学性质以及渗透组分与分离膜的相互作用关系。由于渗透速率取决于体系的许多性质，这是膜分离与只决定于较少物性差别的其他分离方法相比具有较好的分离能力的主要原因。
沸石膜作为一种新型的无机膜，具有均一的孔道结构和良好的热化学稳定性，为其在气体分离方面的应用展示了良好的前景，根据膜的性能和被分离组分的性质可分为不同的分离形式。
(1)用分子筛分机理对气体混合物进行分离
在分子筛分机理控制时，气体组分与膜之间的相互作用很小，分离行为的发生仅仅是由于分子的尺寸或形状阻止它们进入膜孔或以可观的速度通过膜，因此分子筛分这一广义概念不仅包括尺寸排除，还包括组分之间渗透速率差异很大的构型扩散。我们合成分子筛膜的主要目的是利用分子筛膜中分子筛的孔道来对目的组分进行分离。对于八元环孔径为0．41 nm的NaA分子筛膜，可以分离氢气／低碳烃类，O2／N2等。如果将NaA分子筛交换成CaA分子筛，分子筛的孔径增大，此时可以分离直链烷烃和支链烷烃。对于十元环的FER( nm)和MFl分子筛膜，根据其孔径可以分离正异构烃类和二甲苯异构体等。实验数据表明十元环的MFI( nm)分子筛膜确实实现了分子筛膜的择形分离。Bakker[36]等人的结果显示，在25℃时单组分正丁烷( nm)的渗透率比异丁烷( nm)的大60倍。双组分混合物的分离结果表明，正丁烷对异丁烷具有选择性，但其分离系数差别较大，分离系数在2-60之间。
(2)利用吸附性能的差异进行分离
被分离组分和分子筛膜之间的相互作用包括吸附作用和极性作用，对其分离效果有重要的影响。如在低温条件下，吸附性能的差异往往会成为分子筛膜分离的主要因素。最为典型的例子为H2 ( nm)和n-C4H10( nm)在MFI(O．56x0．53 nm)分子筛膜的分离。Bakker[37]不等报道在室温条件下，H2和n-C4H10混合物分离时，选择透过的是n-C4H10。这是因为在室温时，n-C4H10强烈吸附于MFI分子筛膜中，从而阻止了动力学直径较小的H2的渗透。随着渗透温度的升高，这种作用会逐渐减弱，直至选择透氢。
CO2／CH4在Y型分子筛膜上的分离，由于Y型分子筛选择吸附CO2，且CO2的动力学直径较CH4小，所以在Y型分子筛膜上选择透过CO2。而且吸附性能的强弱可以通过离子交换进行改变。Kusakaba[38]等研究了不同离子交换的Y型分子筛膜上的CO2，/N2的分离，分离系数的大小次序为K+>Ba2+≈Mg2+≈Na+>Ca2+>Li+，和C02在这些离子交换的Y型分子筛上的吸附性能次序一致。
沸石分子筛膜在渗透蒸发中的应用
渗透蒸发是一种新型膜分离技术，它是利用被分离混合物中某组分有优先选择性透过的特点，使料液侧的优先渗透组分渗透通过膜，在膜下游蒸发去除，从而达到混合物分离提纯的一种新型膜分离技术。渗透蒸发过程实际上是优先渗透组分在渗透侧蒸发浓缩，同时非优先渗透组分在原料侧的浓缩富集的过程。图1．3为被渗透组分透过膜的示意图。
自从1982年在巴西建立第一套工业实验装置以来，迄今已建立了上百套工业装置，其中最大的一套乙醇脱水装置膜面积已达2400m2，％(质量)
的无水乙醇40000 t。目前渗透蒸发的应用范围正在扩展[39-46]。
渗透蒸发工业应用发展的主要动力在于它与其它分离液体混合物的方法比较具有过程中不引进其它物料，对环境污染小，能量消耗低，设备紧凑，投资少，操作方便等优点。因此，对于现有工业装置中分离过程的改造，减少他们对环境的污染，降低能耗，克服生产过程中的瓶颈环节，提高生产能力与产品质量，采用渗透蒸发，无疑是一种很有吸引力的选择。
渗透蒸发的突出优点是分离系数高且不受气一液平衡的限制，因而它可以分离一些通过蒸馏、萃取和吸附等无法分离的混合物，尤其对共沸混合物、近沸物、热敏感以及低浓度混合物的分离具有极大的优势。另外，膜分离可以连续操作，不需要溶剂回收等过程，而且渗透蒸发装置简单，易于操作。
近十年来，有关渗透蒸发膜分离过程的报道主要集中在有机聚合物膜，有机聚合物作为渗透蒸发膜已经成功的商品化，如用于从水中提取易挥发物质(VOCs)，有机溶剂的脱水等。而有机聚合物膜应用于渗透蒸发中不可避免的会产生浓差极化和膜溶涨现象。最近，Gr