ZSM-5沸石膜的制备及乙酸脱水应用的研究

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冰乙酸是一种重要的有机中间体,其需求量正逐年上升。由于乙酸与水的相对挥发度很低,传统精馏分离法能耗较高,而渗透汽化分离技术作为一种新型的膜分离技术,具备能耗低、环保和设备简单的优点。沸石膜作为渗透汽化分离膜的一种,具有极高的化学稳定性,因此可以应用于乙酸脱水中。有机物脱水应用的是亲水性的沸石膜,一般情况下,沸石膜的Si/A1比越低则亲水性越强,同时其耐酸性能降低。ZSM-5沸石膜的Si/A1比为5~∞,可以通过适当的方法对Si/Al比进行调控,从而平衡其亲水性与耐酸性之间的关系。本论文采用复合晶种法对大孔a-A1203陶瓷管进行修饰,在F-体系中、通过二次水热合成法,在无模板剂的情况下合成了Si/A1比为10的连续ZSM-5沸石膜。考察了F-的种类及用量、晶化时间、温度、碱度、硅铝比、铝源、水硅比等因素对合成的ZSM-5沸石膜的影响。通过XRD、SEM、渗透汽化对合成的膜进行表征。结果表明:当合成液的配方为0.2Na2O:0.05A1203:1Si02:50H2O:1NaF,铝源为A12(SO4)3·18H2O,晶化温度为175℃、晶化时间为48h合成的ZSM-5沸石膜连续致密,并且其对乙酸/水溶液的分离性能最高。当原料液温度为80℃、渗透侧压力为100Pa、乙酸浓度为90wt.%时,渗透通量为1.01kg/(m2·h),而渗透侧水含量高达100%,分离系数接近于无穷大。此外,合成的ZSM-5沸石膜在经过20d的耐酸性能测试后仍能保持很高的分离性能。将制备的ZSM-5沸石膜应用到高浓度乙酸/水、异丙醇/水及乙醇/水的分离中,分别考察了原料液温度及浓度对ZSM-5沸石膜渗透汽化性能的影响。该ZSM-5膜当操作温度75℃、渗透侧压力为100Pa、原料液浓度为90wt.%时,对异丙醇/水的渗透通量高达1.74kg/(m2·h),渗透侧水的含量达100%;而在同样条件下对乙醇/水分离性能不高,渗透通量为1.03kg/(m2·h),渗透侧水的含量仅为98.6%。
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