[发明专利]一种微波加热法合成T型分子筛膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及分子筛膜的合成和应用，特别是提供了一种快速合成T型分子筛膜的新方法：微波加热合成。

背景技术

近半个世纪以来，随着能源短缺的加剧和人们环保意识日益增强，传统的高能耗、高污染工业急需进行大规模的技术改革。膜分离技术由于其与传统工业中的分离技术相比具有低能耗、不产生污染、易于实现连续分离、易于与其它分离过程耦合、可在温和条件下实现分离、易于放大等优点而在化工、食品、医药、环保、冶金等工业部门得到越来越广泛的应用。

沸石分子筛膜是最近十多年发展起来的一种新型无机膜，它具有一般无机膜耐高温、抗化学侵蚀与生物侵蚀、机械强度高、通量大等优点。同时，它又具有沸石分子筛的结构特点：规则的孔道结构，具备分子筛分性能；比表面积大，吸附能力强；可调变的亲/疏水性。这些特性，使得沸石分子筛膜具有了良好的分离性能，使之在许多膜过程(如渗透汽化、气体膜分离、膜反应等)中有着广阔的应用前景。另外，由于沸石分子筛结构和性能上的特点，沸石分子筛膜在主客体化学、色谱、生命科学、电极、传感器、光学材料、电学材料等众多领域也显示了极强的应用前景。

近年来，国内外众多的科学家对分子筛膜的合成及其应用进行了广泛的研究，开发了多种分子筛膜的合成方法，主要包括：原位水热合成法(不需要预涂晶种)、二次生长(晶种法)法、气相合成法等。其中对于气相合成法，由于该方法在合成分子筛膜的过程中，很难保证其凝胶的完全转化，而且在生成分子筛的时候，几种分子筛会同时形成，不利于分子筛膜的稳定。对于原位水热合成，它的优点是操作简单，适用面广，但是由于其原位成核和载体的表面性质和合成液的微观环境有很大关系，因此合成的重复性差。另外由于没有晶种的预先存在，在合成的过程中容易发生转晶。二次生长法是指先在基膜上引入一层均匀的分子筛晶种，直接在基膜表面提供成核中心，然后晶种化基膜在合成液中水热合成分子筛膜。二次生长法最显著的优点是能把成核过程和晶体生长过程分开，抑制晶核转变成其它晶体，提高了分子筛膜的纯度。此外，二次生长法能缩短成核和晶体生长时间，加快基膜表面分子筛膜形成，提高结晶度。

T型分子筛膜是一种耐酸的亲水性分子筛膜，日本三井造船公司的Kondo等人从凝胶体系出发在多孔莫来石基膜上合成了T型分子筛膜，他们将合成的分子筛膜用于有机物/水渗透汽化分离中，表现出了优良的性能(美国专利：6,159,542)。不过由于他们采用的合成方法为常规水热合成法，合成之前基膜表面预涂晶种，合成时间长，分子筛膜较厚，表面晶体疏松堆积，有效厚度薄。日本Yamaguchi大学的Okamoto教授用相同方法合成了T型分子筛膜，分子筛膜对90wt.％的乙醇水溶液的分离系数为900，透量为1.1kg/m².hr，并且对水含量低于50wt％的乙酸水溶液具有良好的脱水能力(摘自Journal of membrane science，vol 236，2004，p17)。T型分子筛膜还被用于分离混合气体，308K时，CO₂/N₂和CO₂/CH₄的分离系数为107和400；473K时，CO₂/N₂和CO₂/CH₄的分离系数为20和52(摘自Journal ofMaterials Chemistry，vol.14，2004，p924)，但是他们的方法合成时间较长，合成的膜也较厚。

另外，对于工业应用中的放大合成来说，随着所用的合成釜的加大，以上方法都需要面对诸如传热过程中出现的温度梯度和重力影响下的沉降现象等放大问题，这也是为什么分子筛膜经过了十几年的研究，却至今很少能够实现工业化的原因之一。

由于微波加热是一种体相加热，且微波加热能大大缩短合成时间，因此在微波合成中，常规传热过程中出现的温度梯度和重力影响下的沉降现象等放大问题将迎刃而解。李砚硕等采用澄清溶液，原位老化-微波加热合成A型分子筛膜，通过二次合成，在三氧化二铝基膜表面生成了一层约5微米厚的致密A型分子筛膜，65℃时，对90wt.％的乙醇水溶液的分离系数大于10000，透量为0.51kg/m².hr(摘自Journal of membrane science vol.2772006，p230)。

如果能充分利用微波加热的特点，与常规加热相结合，则有望快速高效地合成出具有实际应用价值的高性能的分子筛膜。

发明内容