三氟丙基修饰二氧化硅膜的制备及氢气分离研究

• 作 者: 王飞
• 机 构: 北京工业大学
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2008年期
• 关键词: 膜材料 微孔结构 分离实验 水热稳定性

微孔SiO2膜机械强度高、高温稳定性好、能耐各种酸碱性介质的腐蚀,在涉及到高温和腐蚀性气体的分离过程中具有其它膜材料无可比拟的优越性,但SiO2膜具有很强的亲水性,不能在湿热环境下使用,通过表面改性制备水热稳定性良好的微孔SiO2膜是当前膜科学领域的研究方向。
本论文主要采用三氟丙基三乙氧基硅烷(TFPTES)与正硅酸乙酯(TEOS)在酸性条件下共水解缩聚反应,将疏水基团三氟丙基修饰到SiO2溶胶中去,在洁净室的条件下利用dip-coating技术,将改性后的溶胶涂覆到多孔的γ-Al2O3/α-Al2O3载体上,得到以γ-Al2O3/α-Al2O3为支撑体的微孔SiO2膜。应用扫描电镜(SEM)、FT-IR、N2吸附、光学接触角测量仪、热重分析(TG)以及29Si魔角旋转固体核磁共振(29Si MAS NMR)等测试手段表征膜材料的形貌、孔结构和疏水性能,探讨三氟丙基修饰的微孔SiO2膜疏水机理；并在自制的气体分离设备中,研究H2和CO2在疏水微孔SiO2膜中的输运和分离行为。
实验结果表明,三氟丙基基团修饰的SiO2膜的孔结构依然为典型的微孔结构,孔径分布在0.4～1.7nm之间,分布狭窄；修饰后SiO2膜表现出良好的疏水性能,并且材料的疏水性随着TFPTES添加量的增加而增强,当TFPTES/TEOS的摩尔比等于0.6时,膜材料对水的接触角达115.0°±1.2°；三氟丙基基团成功修饰到膜材料表面是修饰后膜材料疏水性提高的原因；修饰后的膜材料置于潮湿环境下陈化30d后孔结构几乎没有发生改变,保持了良好的微孔结构,而未修饰的膜材料陈化相同时间后孔结构由典型微孔结构转变为介孔结构。
气体渗透与分离实验表明,随着温度的升高,H2渗透率不断增大,且分离系数大于Kundesn扩散分离系数,300℃时,H2渗透率达到1.42×10-6mol·m-2·Pa-1·s-1,H2/CO2分离系数提高到7.4,远远大于Knudsen扩散的渗透选择性因子,说明H2在三氟丙基修饰后的微孔SiO2膜中的输运遵循微孔扩散机理。在300℃的湿热环境下,修饰后的膜材料保持了稳定的H2渗透率和H2/CO2分离系数,表明修饰后的膜材料具有良好的水热稳定性,这归因于修饰后的膜材料在湿热环境下依然保持良好的微孔结构。