一种利用沉积在载体材料上的沸石晶种制造的新型沸石膜。所述晶种随后在二次生长步骤中进一步生长以形成具有共生颗粒的膜。沸石膜的孔尺寸为3埃-8埃，这允许水以相对高的通量率流过膜，同时阻止溶解的离子。所述新型沸石膜对于利用反渗透进行的海水脱盐出乎意料的有效。所述沸石膜能够具有高水通量率和高离子截留百分率。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及沸石膜及其制备方法和沸石膜用于水脱盐的用途。
技术介绍
淡水供应一直是相当部分的世界人民的巨大关注。天然淡水资源是有限的并且变化多端。在世界上的部分地区，淡水缺乏和/或淡水供应无常已经导致大规模水脱盐厂的发展，所述水脱盐厂从海水中除盐以生产淡水。大规模的脱盐通常需要大量能量以及专用且昂贵的基础设施，使其与使用来自河流或地下水的淡水相比成本极高。大规模脱盐项目经常使用反渗透来从海水或微咸水中除盐。海水反渗透是利用压力迫使海水通过膜来进行的。膜在一侧保留溶质(即盐)并允许纯溶剂(即水)穿过膜至另一侧。因此，反渗透是通过施加超过渗透压的压力来迫使溶剂从高溶质浓度区域穿过膜至低溶质浓度区域的过程。反渗透是反向渗透，在不施加外部压力时，渗透是溶剂从低溶质浓度区域穿过膜至高溶质浓度区域的自然移动。目前用于反渗透的膜在聚合物基质中具有致密阻挡层，在其中发生水-盐分离。 在多数情况下，膜设计为仅允许水穿过致密层，同时防止盐离子穿过。该过程通常需要对膜的高浓度侧施加压力，对于海水通常为4000-7000kPa(600-1000psi)，以克服通常约为 2400kPa(350psi)的天然渗透压。
技术实现思路
本专利技术涉及对于利用反渗透进行海水脱盐出乎意料地有效的新型沸石膜。沸石膜能够具有高水通量率(flux rate)和高离子截留百分率。此外，沸石膜耐受高温和化学苛刻条件并且具有相对长的使用寿命。本专利技术的沸石膜是利用沉积在载体材料上的沸石晶种制造的。晶种随后在二次生长步骤中进一步生长以形成具有共生颗粒的膜。膜的孔尺寸和厚度选择为产生适合用于水脱盐的沸石膜。具体而言，膜的沸石部分的厚度和沸石晶体的孔尺寸选择为允许水以相对高的通量率流过膜，同时阻止溶解的离子(例如钠)。为了实现相对高的水通量率，沸石膜的孔直径为约3埃-8埃、更优选4埃-7埃、 最优选约4. 5埃-6埃。该孔直径允许水以相对高的通量流过，同时防止溶解的离子(在水中)流过孔。海水中的阳离子和其它原子通常在原子尺度上小于水。但是，当溶解在水中时，溶剂化离子与水结合形成离子-水络合物(即溶解的离子在溶剂中非游离)。离子-水络合物显著大于未结合的水。例如， +具有约0.8-1. Onm的有效尺寸，这远大于水。沸石膜通过提供允许相对高的水通量率同时选择性截留溶解离子的孔尺寸来选择性地过滤水中的溶解离子。沸石层的厚度也有利于高通量。在一个实施方案中，沸石层的厚度为约Iym-约 300 μ m，这可通过利用下述沸石晶种颗粒来实现。本专利技术的一个实施方案包括一种制备适合利用反渗透进行水脱盐的沸石膜的方法。该方法包括提供载体材料(例如玻璃料glass frit)，然后在载体材料上沉积多个晶种颗粒以形成中间负载沸石(intermediate supported zeolite)。中间的晶种颗粒是孔尺寸为约3-8埃的沸石晶体。中间负载沸石与沸石反应混合物合并，并且晶种颗粒进一步生长。 允许晶种颗粒生长进入彼此内，由此形成沸石膜。在一个优选实施方案中，膜的沸石层的厚度保持在提供高通量率同时仍实现所需的离子截留选择性的期望范围内。在一个实施方案中，沸石层的厚度可为约Iym-约 300 μ m,更优选约10 μ m-约200 μ m,最优选约15 μ m-约100 μ m。沸石层的厚度通常可通过在载体上提供所需密度的晶种并进行晶种颗粒的二次生长直至达到所需厚度来进行控制。 沸石膜的厚度(即包括载体和沸石层)可为约lmm-20mm，更优选约2mm_约10mm，最优选约 3mm-约 5mm ο本专利技术的沸石膜用于利用反渗透对盐水进行脱盐。反渗透是通过将盐水置于本专利技术的沸石膜的一侧并施加跨膜压力差来进行的。压力差导致水渗透通过膜。但是，由于沸石结构的尺寸排除作用，溶解的离子被膜截留(即保留在膜的盐水侧)。压力量可取决于盐水中的溶解离子浓度并且可超过跨膜渗透压。例如，对于盐浓度为约3. 5wt%的海水而言， 跨膜力(例如真空压力)可为约20kPa-约20MPa。在一个替代实施方案中，跨膜压力(即负压或正压)为至少约200psi，可选择至少约400psi，或至少约800psi。使用低压力和实现相对高的通量率的能力对于水脱盐的经济性有利。但是，高压力可能对于实现非常高的流量有利。根据以下说明和所附权利要求书将更全面地认识本专利技术的这些或其它特征。 附图说明为了进一步说明本专利技术的上述和其它优点，通过参考附图中所示的本专利技术的具体实施方案来对本专利技术进行更具体的说明。应该理解的是，这些附图只是说明本专利技术的实施方案，因而不应被认为是对其范围的限制。将通过利用附图对本专利技术进行更具体和详细的说明和解释，在附图中图1为利用根据本专利技术的一个实施方案的沸石膜来进行反渗透的示例性系统的示意图；图2A-2C是根据本专利技术的一个实施方案制造的沸石膜的高分辨率TEM图像；图3A-3C是根据本专利技术的另一个实施方案制造的沸石膜的高分辨率TEM图像；图4是示出水通量与压力之间的关系的图。示例性实施方案的详述本专利技术涉及通过反渗透有效进行水脱盐的新型沸石膜。沸石膜能够具有出乎意料地高的水通量率和出乎意料地高的离子截留百分率。沸石膜是利用沉积在载体材料上的沸石晶种制造的。晶种随后在二次生长步骤中进一步生长以形成具有共生颗粒的膜。沸石膜的孔尺寸为约3埃-8埃。沸石膜被认为通过基于尺寸允许水流过膜，同时阻止水合离子 (即尺寸排除)来促进脱盐。本专利技术的沸石膜由载体材料、沸石晶种、沸石反应混合物和溶剂制成。I.用于制造膜的组分A.载体材料载体材料提供用于沉积晶种的表面，晶种随后生长形成膜。载体材料的孔隙率通常足够高，从而对通过膜的水通量没有或几乎没有限制。载体材料可为其上可沉积晶种的任意多孔无机材料。载体材料的表面积优选为约Icm2-约200cm2，更优选约km2-约100cm2。 在一个实施方案中，载体的孔直径为约Iym-约100 μ m，更优选约5 μ m-约60 μ m。合适的载体材料的实例包括玻璃料、不锈钢网、α-Α1203和铜网。载体的厚度可为任意厚度，只要提供所需强度而不显著降低通量即可。例如，载体的厚度可为约0. 5mm-约500mm，更优选约 Imm-约 200mm。B.沸石晶种沸石晶种是沸石的小晶粒。沸石晶种由可用作二次生长模板以形成本专利技术沸石膜的沸石材料制成。可使用任意沸石，只要沸石具有所需的微结构和化学组成以实现适合进行水脱盐的所需通量和离子截留率即可。通常，沸石具有由Si4+和Al3+与四个氧原子进行四面体配位的四面体络合物组成的基础单元。(SiO4)和(AlO4)-的四面体单元通过共享氧原子而彼此连接以形成三维网络。 该网络产生分子尺度的通道和孔洞。在沸石材料的通道和孔洞内部具有水分子和带电的补偿阳离子。在初级四面体结构之间的各种可能的连接决定不同的沸石结构，其可具有不同的表面积、孔尺寸和/或孔形状。除了硅和铝之外，也可在晶格位置中引入其它原子。各种化学计量的Si02、Al2O3和其它氧化物得到各种沸石。一种被关注用于水脱盐的沸石是kolite Socony Mobil_5 (SM-5)或ZSM-5。ZSM-5沸石是负载的MFI型沸石。 ZSM-5沸石的最终结构具有包括基础官能团Al203、Si&本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱广山，邱世伦，邱赫，周冰，
申请(专利权)人：上游纳动股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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