【邦学堂】研究热点+分离催化的“潜力股”:分子筛膜

摘要: 化工领域的两大基本过程就是反应和分离。一些传统分离技术如精馏的应用因能源和环境面临着严峻考验。膜分离技术以其

11-08 19:25 首页 化工邦

化工领域的两大基本过程就是反应和分离。

一些传统分离技术如精馏的应用因能源和环境面临着严峻考验。膜分离技术以其能耗低、不产生污染、易于实现连续分离等,可广泛应用于化工、发酵、环保等行业。

膜催化反应技术应用的关键与核心是拥有对反应物具有高催化活性、对反应产物具有高分离选择性,同时兼有高热稳定性和化学稳定性的反应分离双功能催化膜。

分子筛膜是可以实现分子筛分的新型膜材料,是近年理想的膜分离和膜催化材料。

具有与分子大小相当且均匀一致的孔径、离子交换性能、高温热稳定性能、优良的择形催化性能和易被改性,并具有多种不同的类型与不同结构可供选择。

分子筛膜属于无机膜,80年代初发展了无机膜的高新分离技术,具有耐高温、化学稳定性好、抗微生物侵蚀能力强、易清洗再生等优点。


膜的材料分类

沸石分子筛膜是指由沸石生长形成连续的无缺陷的无载体膜或有载体的膜,是近年来膜科学领域研究的热点。

由于沸石膜继承了分子筛的特点,使得它具有沸石分子筛本身的因有特性,如孔径均一性、离子交换性、酸碱性、耐高温等性质。主要有LTA型(8 rings),MFI型(10 rings),FAU型(12 rings),T型,MOR型等。

1、主要性能:

(1)吸附特性:具有很高的吸附量和独特的择形吸附性能(干燥剂和吸附剂)。

(2)离子交换性:沸石骨架带电荷,平衡阳离子可以交换并产生酸中心或碱中心(催化剂)。

(3)孔道择形性:孔结构可裁剪和调变(择形催化剂)。

(4)再生性能:吸附剂或催化剂失活后可重现。

2、应用:主要在分离领域、催化领域。


分子筛膜在气体分离方面的应用


A型:孔径3-5:气体分离用于小分子体系;

FAU型:孔径6-8:主要适用于CO2 / N2, CO2 / CH4 分离;

MFI型:孔径5-6:主要适用于n-C4/i-C4分离。

海洋天然气迅猛发展为气体分离膜带来巨大机会;沼气并管利用将给膜分离带来潜在机会;膜分离技术是新一代节能环保气体分离技术,取代普通胺溶剂吸收过程,可显著降低天然气分离成本。


分子筛膜在渗透汽化领域的应用

1、渗透汽化过程基本原理:

(1)渗透汽化是以混合物中组分蒸气压差(或浓度差)为推动力,依靠各组分在膜中的渗透速率不同的性质来实现混合物分离的过程。 

渗透汽化过程示意图

(2)针对应用特点和要求,渗透汽化膜可分为:

1)有机物中脱除少量水,优先“透水膜”,如:A型沸石膜、T型、低硅铝比ZSM-5沸石膜等。

2)水中少量有机物的脱除,优先“透有机膜”,如:Silicalite-1沸石膜。

2、渗透汽化膜技术应用:

渗透汽化工业应用的发展动力在于它与其它分离液体混合物的过程中不引进其他物料,对环境的污染小、能耗低、设备紧凑、投资少、操作方便等优点。

  • 醇类体系脱水:包括甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇等;

  • 醚类脱水:包括乙二醇二甲醚、甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚等;

  • 酯类脱水:包括:醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丁酯、碳酸乙烯酯等;

  • 水中少量有机物的富集:水体中乙醇、丙酮、THF、醚类和烃类等有机物的回收;

  • 有机物/有机物体系的分离:乙醇/ETBE、甲醇/MTBE、正丁烷/异丁烷、苯/环己烷和邻二甲苯/对二甲苯。

根据应用的对象和渗透汽化过程的特点,渗透汽化主要应用于以下几个领域:

(1)有机物中少量(微量)水的脱除:

恒沸、近沸溶液体系,如醇、酮、醚和酯-水等;非恒沸液体系:丙酮、乙酸乙酯等溶剂脱水。

如乙醇脱水:工业发酵法制酒精的过程中,料液含乙醇10%,经精馏脱水可得95%~96%乙醇水溶液,即共沸物或恒沸物(在101.323KPa下,恒沸点:78.15℃,乙醇-水形成共沸物组成:乙醇95.6%,水4.4%左右)。 

传统法要得到无水乙醇须加入苯恒沸剂进行共精馏,而渗透汽化膜与精馏联合可直接获得无水乙醇。

(2)水中少量有机物的脱除:

包括醇、酯、芳烃类化合物、氯化物等,水中有机物含量在0.1~5%范围用渗透汽化经济适用。

1)酒类饮料中除去乙醇—生产低度饮料;

2)废水与污染水的地下水处理;

3)水中回收有价值的溶剂;

(3)有机物分离:

无机沸石膜:Silicalite-1分子筛膜

结论:

沸石分子筛膜由于其具有独特的物理化学性质、良好的分离性能、广阔诱人的应用前景,备受膜科学者的关注。分子筛膜能够更经济和更节能地分离天然气和石化产品(大宗产品和精细产品),具有潜在的应用前景。

但分子筛膜的分离机理和应用范围仍在不断完善,在渗透汽化和气体分离等工业应用,仍然有研究潜力。推动分子筛膜在分离及分离催化领域朝着更广阔的方向发展,解决能源、环境、资源利用问题是未来发展的最终方向和目标。

 

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