支撑沸石分子筛膜制造技术

一种具有支撑在地质聚合物载体上的沸石分子筛层的非对称膜，以及制作具有支撑在地质聚合物载体上的沸石分子筛层的非对称膜的方法。一种用于从含水和乙醇的进料混合物中增加乙醇浓度的错流膜分离方法，包括：将含水和乙醇的进料混合物错流通过本发明专利技术的非对称膜的沸石分子筛层，在进料混合物的压力大于渗透液的压力下以生成乙醇浓度小于进料混合物的渗透液和乙醇浓度大于进料混合物的渗余液。

Supported Zeolite Membrane

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】支撑沸石分子筛膜
技术介绍
本专利技术涉及基于分离的技术，和更具体地说涉及膜分离技术。膜分离可以是一种既节能又省钱的工艺，与诸如蒸馏的其它分离工艺相比，提供低操作成本。高分子聚合物膜已被广泛应用，但由于其高分子聚合物材料性质的限制，高分子聚合物膜在某些分离应用中达不到性能要求。例如，高分子聚合物膜通常在相对低的温度下操作，并且在遭遇存在于许多工业工艺中的有机化合物时性能退化。此外，高分子聚合物膜的分离选择性和渗透通量对许多分离应用而言是相对低的。与高分子聚合物膜相比，包括沸石分子筛膜在内的无机膜具有独特优点，这归因于它们的高耐化学性、高热稳定性、高分离选择性和高渗透通量。由于沸石分子筛具有均匀的孔尺寸，因此使用沸石分子筛膜通过分子尺寸的差异可以从混合物中分离出特定的组分。沸石分子筛膜可以用在化学、石化、燃气和能源、环境、生物、食品和饮料以及其它工业中的许多分离应用中。具体的实例包括有机溶剂的脱水、油和水混合物的分离、废水处理、酒和果汁的纯化、气体的净化和分离以及其他应用。实用性沸石分子筛膜的制造是沸石分子筛膜大规模工业化应用的关键。沸石分子筛膜易碎，并且机械强度差，这严重限制了制造和使用。为了克服这一问题，多孔载体被用来为沸石分子筛膜提供机械强度。现有技术中已使用多种载体材料来制备载体支撑沸石分子筛膜，包括陶瓷如氧化铝、莫来石、二氧化硅、二氧化钛和氧化锆以及金属如不锈钢、镍和铝。尽管在现有技术中取得了进展，但是对更低成本的氧化铝仍然存在需求。尽管在现有技术中取得了进展，但是对更低成本支撑沸石分子筛膜和改进的更低成本的用于制作支撑沸石分子筛膜的方法仍然存在需求。
技术实现思路
在一种实施方案中，本专利技术是非对称膜，包含：支撑在地质聚合物载体上的沸石分子筛层。在另一实施方案中，本专利技术是一种非对称膜的制作方法，包括：(a)制备地质聚合物组合物；(b)用地质聚合物组合物形成地质聚合物；(c)将沸石分子筛晶种涂覆在地质聚合物载体上以形成种晶的地质聚合物载体；(d)将种晶的地质聚合物载体置于包含二氧化硅和氧化铝源材料成分的组合物中形成硅铝组合物覆盖的地质聚合物载体；(e)将硅铝组合物覆盖的地质聚合物载体进行水热合成在地质聚合物载体上形成沸石分子筛层。在又一实施方案中，本专利技术是一种制作非对称膜的方法，包括：(a)制备地质聚合物组合物；(b)在地质聚合物载体中生成沸石分子筛晶体的条件下，用所述地质聚合物组合物形成地质聚合物载体；(c)将沸石分子筛晶种涂覆在地质聚合物载体上以形成种晶的地质聚合物载体；(d)将种晶的地质聚合物载体置于包含二氧化硅和氧化铝源材料成分的组合物中形成硅铝组合物覆盖的地质聚合物载体；(e)将硅铝组合物覆盖的地质聚合物载体进行水热合成在地质聚合物载体上形成沸石分子筛层。在另一实施方案中，本专利技术是一种用于从含水和乙醇的进料混合物中增加乙醇浓度的错流膜分离方法，包括：将含水和乙醇的进料混合物错流通过包含本专利技术的非对称膜的沸石分子筛层，在进料混合物的压力大于渗透液的压力下以生成乙醇浓度小于进料混合物的渗透液和乙醇浓度大于进料混合物的渗余液。本专利技术的非对称膜增加了沸石分子筛层的有效渗透面积。本专利技术的非对称膜可以以更灵活的设计配置来布置。附图说明图1是实施例2的非对称膜的扫描电镜横截面图，其中在地质聚合物载体以上一层是沸石分子筛层。专利技术的详细描述支撑沸石分子筛膜通常是通过将支撑载体放置于沸石分子筛合成前体溶液中，然后在最佳温度、压力和时间条件下进行水热处理来制造的。例如，沸石分子筛膜合成可以是一步生长过程或两步生长过程(二次生长过程)。在一步过程中，沸石分子筛晶体直接生长在载体上。在两步过程中，首先将预合成好的沸石分子筛晶种涂覆在载体上，并且进行沸石分子筛水热合成。在沸石分子筛膜水热合成之前用沸石分子筛晶种涂覆载体是本领域中的普遍做法，以有利于通过增强在载体表面上而不是在沸石分子筛合成前体溶液本体中的沸石分子筛结晶来形成沸石分子筛膜。沸石分子筛膜在载体上形成后，支撑沸石分子筛膜通常用水洗涤并干燥以用于分离应用。虽然传统多孔陶瓷或金属载体的使用为沸石分子筛膜的制造和随后使用提供了所需的结构坚固性，但它也造成了一些问题，限制了支撑沸石分子筛膜的用途。首先，由于多孔陶瓷或金属载体的制造需要高质量的原材料、精细的多孔微观结构设计和高温加工，它们价格昂贵，并且占沸石分子筛膜总成本的大部分。这导致支撑沸石分子筛膜的高成本，并且限制了其在工业分离应用中的用途。其次，由于常见陶瓷或金属载体材料对渗透物质不传导，载体的固体和非多孔部分堵塞了在载体-膜界面处的沸石分子筛膜的大部分的孔。这导致通过其渗透物质可从界面流出的膜面积显著减小，因此支撑沸石分子筛膜的有效渗透面积仅为沸石分子筛膜总暴露表面积的一小部分。第三，由于传统陶瓷或金属制造和高温加工要求，多孔陶瓷或金属载体通常用标准的平面或管状几何结构和尺寸来制造，限制了分离膜和组件设计灵活性。为了降低膜制造成本，提高膜分离性能，并且提高膜设计灵活性，本专利技术公开了一种支撑沸石分子筛膜制造方法和基于地质聚合物作为载体材料的支撑沸石分子筛膜。地质聚合物是一类介于四面体AlO4和SiO4单元之间的交联长链硅酸铝无机高分子聚合物材料，具有内置三维结构以及优异的材料性能如高强度以及热稳定性和化学稳定性。地质聚合物的通式为Mn[-(SiO2)z-(AlO2)-]n，其中M为一价阳离子，z为硅铝比，和n为聚合度。M通常是碱金属，如锂、钠、钾或其他单价阳离子。地质聚合物的形成通常涉及铝硅酸盐源如煅烧粘土或粉煤灰，以及通常包含碱金属氢氧化物和碱硅酸盐的碱激活剂溶液。地质聚合物材料的一个独特特点是，它们能够在环境温度或稍微升高温度下聚合和达到高强度。由于地质聚合物由低成本的原材料制成并在接近环境温度下固化，因此与用于沸石分子筛膜制造的传统陶瓷或金属载体相比，地质聚合物载体具有低得多的制造成本。此外，地质聚合物在接近环境温度下形成固体陶瓷状材料的能力，不仅允许使用陶瓷膜加工技术，而且允许使用高分子聚合物膜制造技术，这提高了膜设计灵活性，并且降低加工成本。由于地质聚合物是硅酸铝无机聚合物材料，根据其组成，经固化的地质聚合物可在本专利技术中通过在水或其他介质中的水热处理或在存在湿气的情况下简单加热而部分地转化为沸石分子筛。处理后形成的沸石分子筛类型取决于地质聚合物组合物和水热处理条件。此外，通过固化后的水热处理，地质聚合物的机械强度通常提高。因此，地质聚合物的固化后水热处理导致形成高强度的地质聚合物-沸石分子筛复合材料，并且沸石分子筛晶体掺入地质聚合物微观结构中。由于沸石分子筛在其微观结构中具有均匀尺寸的孔，因此只要孔尺寸大于渗透物质的尺寸，渗透物质就可以在这些孔中迁移。与具有类似多孔微结构的传统陶瓷或金属载体相比，地质聚合物微观结构中沸石分子筛晶体的形成导致有效渗透面积增加和更高的载体可渗透性。地质聚合物过去曾被用于制造用于许多分离应用如有机溶剂脱水和水净化的膜。有些膜是使用地质聚合物直接制造的，和另一些则是使用地质聚合物随后在水或其他介质中进行水热处理来制造的。然而，制造用于分离应用的具有高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非对称膜，包含：支撑在地质聚合物载体上的沸石分子筛层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170718 US 62/604,7231.一种非对称膜，包含：支撑在地质聚合物载体上的沸石分子筛层。


2.根据权利要求1所述的非对称膜，其中所述地质聚合物载体是非晶态地质聚合物。


3.根据权利要求1所述的非对称膜，其中所述地质聚合物载体是包含沸石分子筛的地质聚合物。


4.根据权利要求1所述的非对称膜，其中所述地质聚合物载体包含沸石分子筛晶种。


5.根据权利要求1所述的非对称膜，其中所述沸石分子筛选自A、X、Y、T、P、β、ZSM-5、硅质岩和丝光沸石型沸石分子筛。


6.根据权利要求1所述的非对称膜，其中所述沸石分子筛是A型沸石分子筛。


7.一种制作非对称膜的方法，包含：(a)制备地质聚合物组合物；(b)用所述地质聚合物组合物形成地质聚合物载体；(c)将沸石分子筛晶种涂覆在所述地质聚合物载体上以形成种晶的地质聚合物载体；(d)将所述种晶的地质聚合物载体置于包含二氧化硅和氧化铝源材料的组合物以形成置于组合物中的地质聚合物载体；(e)将置于组合物中的地质聚合物载体进行水热合成以在所述地质聚合物载体上形成沸石分子筛层。


8.根据权利要求7所述的方法，其中所述地质聚合物组合物包含选自偏高岭土、煅烧粘土、粉煤灰及其组合的铝硅酸盐源。


9.根据权利要求7所述的方法，其中所述地质聚合物组合物包含选自碱金属和碱土金属硅酸盐、碱金属和碱土金属氢氧化物的碱激活剂。


10.根据权利要求7所述的方法，其中所述地质聚合物组合物包含水。


11.根据权利要求7所述的方法，其中所述地质聚合物组合物包含含偏高岭土的铝硅酸盐源、含硅酸钠和氢氧化钠的碱激活剂，以及包含水。


12.根据权利要求7所述的方法，其中所述二氧化硅和氧化铝源材料的SiO2与Al2O3的摩尔比为2到4，并且所述二氧化硅和氧化铝源材料的M2O与Al2O3的摩尔比为0.5到2，M为碱阳离子。


13.根据权利要求7所述的方法，其中所述地质聚合物组合物的SiO2与Al2O3的摩尔比为2.5到3.5，并且M2O与Al2O3的摩尔比为0.8到1.6，其中M为碱阳离子。


14.根据权利要求7所述的方法，其中所述沸石分子筛水热合成包括将地质聚合...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·J·蔡，J·J·刘，
申请(专利权)人：诺和锐驰科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US