構建超薄矽基分子篩薄膜及其有機異構體的高通量分離

《構建超薄矽基分子篩薄膜及其有機異構體的高通量分離》是依託東北師範大學，由鄒小勤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：構建超薄矽基分子篩薄膜及其有機異構體的高通量分離
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄒小勤
• 依託單位：東北師範大學

項目摘要

分子篩薄膜的通量是衡量膜氣體分離性能的重要指標，其主要影響因素包括：分子篩自身的孔隙率、薄膜面積、薄膜厚度，其中薄膜厚度是影響膜通量至關重要的參數之一。因此合成超薄分子篩膜可以有效地提高薄膜通量。目前，大多數製備的分子篩薄膜厚度基本在微米級以上；且製備方法過於單一，很難總結出合成的規律性和方法的廣譜性。本項目擬引入長鏈型多銨類化合物為有機模板劑用於具有單層分子篩結構單元厚度納米晶的合成；並將此納米晶作為晶種，採用二次合成法彌補晶種之間的晶體間隙，通過控制晶體在二次生長中的生長速度，從而獲得連續緻密超薄的矽基分子篩膜（CHA、MFI、BETA）。晶種在薄膜中二次生長的規律通過耦合原位原子力顯微鏡與X-光衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等技術手段進行研究，進而揭示晶種法合成分子篩膜的機理。合成的超薄連續緻密的矽基分子篩膜套用於分離分子尺寸接近的有機異構體，從而真正實現分子篩篩分效果。

結題摘要

分子篩因其有序孔道結構、分子水平孔徑、高孔隙率，成為優良膜材料。膜分離是一種高效、低能耗分離技術，使分子篩膜成為研究重點。本項目開展了以下工作：（1）不同分子篩納米晶的可控制備：以四乙基氫氧化銨為模板，輔於微波，製備了CHA、AEI納米晶。CHA和AEI納米晶呈片狀形貌，晶粒大小為450×450×50 nm3和450×300×70 nm3。調節微波條件，製備了不同長徑比納米片。以四丙基氫氧化銨及四丁基氫氧化銨為模板，在高反應物濃度下水熱合成了純矽MFI、MEL納米晶。MFI和MEL微晶具有球形形貌，大小比較均一，大概在150-200 nm之間。（2）薄膜中晶體生長的研究：以MFI分子篩為例，系統研究了表面膠轉化法中MFI二次生長規律。考察母液陳化、母膠滲透、旋塗速度、晶化時間、晶化溫度五個參數。掃描電鏡和X-射線衍射結果發現母液陳化時間是合成連續MFI膜的最重要參數，因為母液在經過一定時間陳化後才形成粘稠膠體。MFI晶體之間實現了良好共生，形成了亞微米(500 nm)薄膜。在此基礎上，我們製備了大面積連續的CHA、AEI、MEL分子篩膜。（3）分子篩膜分離性能的研究：根據分子篩孔化學特性，針對性地開展了薄膜分離工作。海水脫鹽結果顯示Na+、K+、Mg2+、Ca2+的截留率分別為99.87%、99.96%、99.97%、100%，水通量為1.82-3.37 kg m-2 h-1。滲透實驗與分子模擬結果闡釋了高截留率歸功於AEI的篩分效果，紀錄級別水通量歸功於高吸附量、快擴散速度及方向。針對MFI中孔性質，初步探討了MFI分子篩膜在C6有機異構體的分離。滲透汽化結果表明MFI膜對正己烷具有選擇透過性，正己烷對於其他異構的選擇性在17-33之間，正己烷通量為0.66 kg m-2 h-1。高選擇性主要因為MFI對正己烷的擇型性。研究內容具有科學和工程價值：納米晶合成與分子篩膜形成機理能夠幫助我們更好地了解晶體生長，為精確製備提供基礎；分子篩膜在海水脫鹽和C6化合物分離為我們海水淡化提供素材，為化工過程提供先進分離手段。