论文部分内容阅读
二氧化硅膜的渗透率高、分离效果好，化学性能稳定、耐高温、机械强度大，是气体分离和膜反应器中理想的分离膜材料。特别是在高温渗透和腐蚀性气体分离应用中具有金属膜和有机膜不可比拟的优点。尽管纯的二氧化硅膜在水热环境下会受到水汽的侵蚀，孔道会受到破坏，但是在溶胶-凝胶法制备过程中向溶胶中添加疏水基团能够很好的改善膜材料的疏水性，得到水热稳定的膜材料，同时能够保持好的气体渗透率和好的分离效果。
本论文主要以苯基三乙氧基硅烷(PTES)和正硅酸乙酯(TEOS)为前躯体，在酸性条件下通过共水解缩聚反应得到苯基修饰的SiO2溶胶。利用dip-coating技术，采用平涂工艺，在洁净环境下将修饰后的溶胶涂覆到γ-Al2O3/α-Al2O3多孔陶瓷载体上。应用傅立叶变换红外光谱(FT-IR)的输运和分离行为。同时以该膜材料组装膜反应器，采用Cu/ZnO/Al2O3为催化剂、N2吸附、光学接触角测量仪等测试手段表征膜材料的孔结构和疏水性能。在自制的气体渗透装置上，研究了不同温度下H2、CO、CO2在疏水微孔SiO2膜中的渗透，研究膜材料在水煤气变换膜反应器中所起的作用。
实验结果表明，苯基修饰前后的SiO2膜都呈现出典型的第1类N2等温吸附曲线，孔结构仍然保持微孔结构，孔径在0.4-0.5nm的狭窄范围内分布；接触角测量结果显示修饰后SiO2膜表现出良好的疏水性能，膜材料对水的接触角增大到118.6±0.4°。在FT-IR光谱图能够观察到苯基吸收峰，说明苯基成功修饰到膜表面。
在实验温度30～300℃、膜两端压差为0.1MPa的条件下于自制的气体分离装置中进行测试。结果表明，在低温阶段H2和CO2在修饰后SiO2膜的输运遵循努森扩散机理，随着温度升高，H2的渗透率逐渐增大，由于膜材料对CO2有较强的吸附作用，在高温阶段渗透率在小范围内有所降低，但是H2和CO2在膜材料中的输运主要是遵循活化扩散机制。300℃时膜材料中H2渗透率达到4.67×10-7mol.m-2.Pa-1.s-1，H2/CO2、H2/CO、H2/SF6的理想分离系数分别达到10.5、10.54和21.16。SiO2溶胶涂覆在γ-Al2O3/α-Al2O3多孔陶瓷载体上，陶瓷载体对气体渗透有一定影响，在修正后H2渗透率达到7.33×10-7mol.m-2·Pa-1·s-1。
水煤气变换反应自组装的膜反应器中进行，实验温度在200～300℃。结果表明.膜材料对氢气的选择性增强，CO的转化增加。随着水碳比的增加，CO转化率增加，H2在反应系统中分压增加，渗透驱动力增大，相应渗透量增加，从而促进膜反应器中CO向H2转化，提高CO转化率。