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基本信息
- 項目名稱：
- 高效分離多孔陶瓷基負載型分子篩膜的研制
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 市場上無機分子篩膜在制備和膜厚度方面存在缺陷，成為分離技術(shù)發(fā)展的瓶頸。而本項目在生產(chǎn)工藝上進行創(chuàng)新，采用先進的晶種預(yù)涂法和水熱合成法的相結(jié)合，在多孔陶瓷基上制備取向一致、清晰無列缺，連續(xù)的絲光沸石分子篩膜。使膜厚≤10um，達到國際先進水平。由于生產(chǎn)過程中不易產(chǎn)生缺陷，分子篩膜的性能得到很大提升，在同類產(chǎn)品中具有絕對優(yōu)勢。并且由于其操作過程新穎簡單，能更加符合目前市場的需求。
- 詳細介紹：
- 近年來無機膜，特別是陶瓷膜和陶瓷基復(fù)合膜作為新型的膜材料，在近十年來發(fā)展迅速引起了工業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。但目前我國國內(nèi)對于無機沸石分子篩膜的應(yīng)用還處于摸索階段。多數(shù)的無機沸石分子篩膜應(yīng)用于低端產(chǎn)業(yè)。所需要的高品質(zhì)，科技含量較高的無機膜，仍需要進口國外的產(chǎn)品，而市場上對于高質(zhì)量無機膜仍是供不應(yīng)求的狀況。 為了達到在緩解市場需求壓力的同時縮短國產(chǎn)與進口高品質(zhì)無機膜在性能上的差距，并為我國高品質(zhì)無機膜市場提供一種工藝流程簡單，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，能耗低，無污染的綠色制備方法。 本項目采用的分子篩膜是絲光沸石，絲光沸石(|Na8+(H2O)24 |[Al8Si4 0O96]-MOR) 屬于正交晶系，空間群為Cmcm, 晶胞參數(shù)a=18.1?, b=20.5?, c=7.5?[101] , 骨架密度為 17.2T/1000?3。圖中給出了絲光沸石的骨架結(jié)構(gòu)圖。沿[010]方向，也存在著8 員環(huán)直孔道。十二員環(huán)窗口呈橢園形，直徑為6.5×7. 0?。8 員環(huán)窗口的直徑為2.6×5.7? 。絲光沸石中含有由12 個T 原子構(gòu)成的T12 單元。絲光沸石的結(jié)構(gòu)和特點，完全符合做沸石分子篩膜的無機膜。這就為沸石分子篩膜在結(jié)構(gòu)上提供了科學(xué)依據(jù)。 本項目的采用的陶瓷基是氧化鋁陶瓷基，采用反應(yīng)結(jié)合成型工藝方法，該工藝過程具有燒結(jié)溫度較低、力學(xué)性能好、體積收縮小及制備成本低等優(yōu)勢。該工藝在起始原料中加入金屬鋁粉，成型后生坯在空氣中加熱，鋁粉發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧化鋁。這個反應(yīng)伴隨著體積膨脹效應(yīng)，可以彌補燒結(jié)過程中的體積收縮，降低坯體收縮率。新生的氧化鋁顆粒非常細小，具有非常高的活性，可以降低燒結(jié)溫度。此外，由于新生的細微結(jié)構(gòu)，使其強度得到了明顯的改善。 本項目采用的方法是晶種預(yù)凃法，晶種預(yù)涂法是國際上認可度極高的且最有發(fā)展前途的沸石膜制備方法。 這種方法包含兩大步驟: 首先是在氧化鋁陶瓷上涂布納米沸石晶體當(dāng)做晶種, 第二步是在特定的水熱條件中控制晶體的生長, 從而可以消除晶體間的空隙而形成連續(xù)的沸石層。 本項目研究的關(guān)鍵是在孔徑均勻的多孔Al2O3基體上制備出一層或多層取向一致的分子篩膜，利用晶種預(yù)涂法，控制篩膜分子取向，分子篩膜的孔徑范圍在2nm以下，使膜厚在5-12um之間。沸石薄膜是將沸石相生長在多孔載體上，沸石分子篩的c軸方向多數(shù)垂直于多孔陶瓷膜表面。本項目欲解決的關(guān)鍵問題是控制沸石分子篩膜的厚度和取向，這對于氣體分離效率非常重要。所以應(yīng)控制沸石分子篩膜的反應(yīng)時間、反應(yīng)溶液的濃度及配比等多種因素，達到最好的氣體分離效果。 這種新型的分子篩膜最終在性能上了有了很大的提升，經(jīng)過實驗測定，其水/醇溶液的分離系數(shù)遠高于同類產(chǎn)品
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.目的： 陶瓷基復(fù)合膜在許多領(lǐng)域中具有顯著的優(yōu)勢，給若干重大工程問題提供了有希望的技術(shù)路線。然而如今市場上負載型分子篩膜在制備以及膜厚兩方存在缺陷：制備方法多為水熱合成法，制成的膜取向一致性不高；目前市場上的負載型分子篩膜的膜厚多為10-50um。為了克服這些缺點，并且制備性能更加先進的分子篩膜，利用絲光沸石分子篩膜的優(yōu)勢以及晶種預(yù)涂法，我們希望制得一種具有很高的取向度、分子篩膜厚度為5-12um的負載型分子篩膜。 2.創(chuàng)新點： （1） 生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新：采用晶種預(yù)凃法 控制沸石分子篩膜的生長取向 （2）技術(shù)的創(chuàng)新：絲光沸石分子篩膜的厚度在5-12um （3）產(chǎn)品性能的創(chuàng)新：多孔陶瓷基上生長的分子篩膜，取向一致，對醇水溶液具有很好的分離性能 3.基本思路： 利用晶種預(yù)涂法在多孔陶瓷基上制備取向一致的絲光沸石分子篩膜，這種方法包含兩大步驟: 首先是在氧化鋁陶瓷上涂布納米沸石晶體當(dāng)做晶種, 第二步是在特定的水熱條件中控制晶體的生長, 從而可以消除晶體間的空隙而形成連續(xù)的沸石層，并研究其分離性能。 4.技術(shù)關(guān)鍵： 絲光沸石分子篩膜取向一致，厚度在5-12um之間。 5.主要技術(shù)指標(biāo): （1）膜厚度≤10um （2）膜的水/ 甲醇分離系數(shù)達2000( Xw=50%K) （3）多孔陶瓷負載膜的化學(xué)穩(wěn)定性（耐酸堿性）：達到10-5%.day-1.cm-2以下 （4）機械強度：抗彎強度〉400
科學(xué)性、先進性
- 科學(xué)性：目前，市場上先進的A型分子篩膜在制備過程中會產(chǎn)生缺陷孔，降低了膜的分離性能。而我們研究的利用晶體預(yù)涂法合成的絲光沸石分子篩膜不僅取向一致，所得膜連續(xù)、清晰無列缺；生產(chǎn)過程中不易產(chǎn)生缺陷。同時絲光沸石膜具有互相平行橢圓形孔道，是一類具有高硅鋁比的親水性沸石 ,所以制成的篩膜具有很高的分離性能。經(jīng)過實驗測試，這種分子篩膜的水/ 甲醇、水/乙醇、水/ 正丙醇的分離系數(shù)最高可分別達到2700( Xw= 50% K) , 3900 ( X w=50%) , 4100( Xw= 15%)。除此之外，目前國內(nèi)外生產(chǎn)的分子篩膜其膜的厚度多為10-50um之間，我們制得的分子膜厚度為5-12um,更加先進。 先進性：1、用晶種預(yù)涂法及水熱合成法在多孔氧化鋁陶瓷管上合成出絲光沸石膜.用掃描電鏡、X射線衍射和核磁共振等手段對所制得的沸石膜進行了表征,證明其交聯(lián)良好、覆蓋完全、附著強度高。2、絲光沸石膜能選擇性地透過水,其水/醇分離效果好，分離程度高。3、膜的厚度在5-12um之間，具有領(lǐng)先水平。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年3月31日至4月2日經(jīng)遼寧省電子技術(shù)情報所查新，查新結(jié)論為：“高效分離多孔陶瓷基負載型分子篩膜的制備”在國內(nèi)未見文獻報道。 2011年3月26日本研究相關(guān)論文《絲光沸石/氧化鋁陶瓷膜的合成及滲透分離性能的研究》通過了《遼寧化工》審查，擬在2011年7月第7期出版。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)合作與有償轉(zhuǎn)讓相結(jié)合
作品可展示的形式
- 實物產(chǎn)品、圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1、結(jié)合晶種預(yù)涂法以及水熱合成法，首先是在氧化鋁陶瓷上涂布納米沸石晶體當(dāng)做晶種，然后在特定的水熱條件中控制晶體的生長，從而可以消除晶體間的空隙而形成連續(xù)的沸石層。利用晶種預(yù)涂法控制分子取向形成連續(xù)的沸石層，并控制其厚度達到國內(nèi)外先進水平。 2、多孔氧化鋁具有高強度、耐高溫，抗熱震性能好、熱膨脹率低和高熱傳導(dǎo)性等優(yōu)點，而且價格低廉，是一種優(yōu)良的高溫催化劑。而絲光沸石分子篩具有獨特的孔道結(jié)構(gòu)、非常強的離子交換能力和高的熱穩(wěn)定性能，與工業(yè)上幾種常用物質(zhì)的分子動力學(xué)直徑相接近，具備良好的篩分效應(yīng)以及很好的耐熱穩(wěn)定性，并且其本身具有不錯的催化功能，在催化與分離方面可以實現(xiàn)很好結(jié)合。絲光沸石無機膜具有高的熱穩(wěn)定性和耐酸性等優(yōu)點，因此在有機酸脫水及膜反應(yīng)器等方面具有很好的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于石油加工與精細化工工業(yè)。 3.由于先進的制備方法，所制成的膜在分離性能上有了很大的進步，符合現(xiàn)如今市場的需求。同時，其操作過程簡單，成本低廉，適合工業(yè)化生產(chǎn)，更具市場競爭力，能帶來更多的經(jīng)濟效益
同類課題研究水平概述
- 世界各國都把膜技術(shù)放在極其重要的地位進行開發(fā)，任何化學(xué)化工和冶金反應(yīng)過程總是包含原料的純化和產(chǎn)品的提取、濃縮、凈化以及廢物的管理和循環(huán)應(yīng)用等，這一切都要用到分離工藝，而且往往涉及高溫和其他惡劣環(huán)境，而這些步驟總是耗用很大比例數(shù)的設(shè)備投資和高額操作費用。采用陶瓷基復(fù)合膜分離過程在大大減少上述兩個方面的資金消費上具有潛力和希望，同時減輕勞動強度，節(jié)約能源。因而陶瓷基復(fù)合膜分離過程及其相應(yīng)技術(shù)在化工、冶金、食品、醫(yī)藥、生物技術(shù)和環(huán)境治理等部門都得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。 目前國內(nèi)外陶瓷基負載型的分子篩膜的種類不斷增多，性能也逐步提升。絲光沸石具有互相平行橢圓形孔道，孔徑范圍為O.695nm×O.581nm，晶胞組成為Na8[(AlO2)8(SiO2 ) 40]]24H20，是一類具有高硅鋁比的親水性沸石,所以制成的多孔陶瓷基絲光沸石分子篩膜具有很高的分離性能。目前市場是用的絲光沸石分子篩膜多為水熱合成法制得的，其厚度多為10-50um。國內(nèi)外常見制備分子篩膜的方法也多為水熱合成法，分子篩膜厚度大多在10-50um之間。 水熱合成法其操作簡單成本低，但是所制成的分子篩膜在緊密性、取向一致性、連續(xù)性方面仍存在不足。目前市場上有種以四乙基溴化銨為模板劑在多孔材料上制備光沸石分子篩膜，這種多孔材料絲光沸石分子篩膜在膜的緊密性及連續(xù)性這兩傳統(tǒng)缺陷方面有了很大的進步。但是由于生產(chǎn)過程中添加了昂貴的有機模板劑，使其成本也提高了。 與此同時，晶種預(yù)涂法是目前被國內(nèi)外一致認為最有發(fā)展前景的一種分子篩膜的制備方法，但其還未達到完全工業(yè)化應(yīng)用。目前市場上有利用晶種預(yù)涂法制成的分子篩膜，例如A型分子篩膜，以特殊的孿生聚晶形式生長在一起，有效地消除晶粒間隙，可形成致密的均勻的分子篩膜層。然而在對分子篩膜進行高溫活化處理過程中會產(chǎn)生一些缺陷孔，降低了膜的分離性能，仍然不夠理想。
