本技术涉及一种制备碳捕集专用MFI分子筛膜的新方法,首先制备MFI分子筛晶种,并将其配制成晶种悬浮液。随后,利用浸渍提拉技术在含有气相SiO2的基底表面进行修饰,形成MFI分子筛膜。该方法提高了碳捕集效率,具有重要的环保和工业应用价值。
背景技术
众所周知,温室效应是由于温室气体的过量排放导致的,而CO2
约占全球温室气体77%[Journal of Materials Chemistry A,2015,3(23):12500-6],因此CO2
是导致气候变化的主要因素之一,又因其在人类的社会生活中所占比重较大,因而受到了国内外科学界的广泛关注。《巴黎协定》规定了将全球的平均气温升幅与工业化前相比控制在2℃以内,并积极争取将全球平均升温控制在1.5℃以内[气候变化研究进展,2016,12(1):61-67]。
目前,CO2
的分离捕集工艺主要有低温蒸馏法、吸收法、吸附分离法和膜分离法。其中,膜分离法[Journal of Membranes Science,2008,307(1):88-95]是一种新兴的低能耗分离技术,具有投资成本低、占地面积小、易于放大等优点,因此膜分离技术得到越来越广泛的应用。气体分离膜具有节能、高效和环境友好等特点,在典型的工业小分子气体(CO2
/N2
等)分离中可发挥至关重要的作用。
目前已经开发出多种膜用于CO2
的分离。其中沸石分子筛膜具有规则的孔道结构,更好的热稳定性、化学稳定性和结构稳定性[Chem Soc Rev,2015,44(20):7128-54]。此外沸石分子筛膜可以在高温高压下使用,并可以在恶劣的化学环境中操作,有望通过分子筛分、吸附-扩散机理进行分离应用。目前主要常见的沸石分子筛有MFI型、CHA型、DD3R型、LTA型、FAU型沸石分子筛、丝光沸石等。其中,MFI型沸石分子筛由于其独特的孔道结构,使其成为一种重要的沸石膜材料。MFI分子筛的基本结构由8个五元环构成,具有D2d对称性。这些单元结构通过共享一边连接形成平行于c轴的五硅链,再通过网层间的进一步链接形成三维结构。MFI分子筛具有两组交叉的孔道:其中一组是与a轴方向平行的十元环孔道,孔径大小为另一组是与b轴方向平行的十元环孔道,孔径大小为
MFI型分子筛的孔径与多种常用气体和溶剂分子的动力学直径相近,因此MFI型分子筛以及MFI分子筛膜可以用于多种重要物质的分离,如有机物同分异构体,H2
和CO2
、H2
和CH4
以及有机物和水等[Microporous and Mesoporous Materials,2019,289:1-7]。C-H.Nicolas[Ind.Eng.Chem.Res.2012,51,10451-10461]等详细考察了水分、NOx
和轻烃对MFI分子筛膜分离CO2
/N2
的影响,其中CO2
/N2
分离选择性为3。Wang[Journal of MembraneScience636,2021,119565]等采用双层膜(内层SSZ-13膜,外层MFI膜)研究CO2
/CH4
和CO2
/N2
的分离,其中最佳CO2
的渗透性分别为1.5×10-6
mol·m-2
·s-1
·Pa-1
和1.4×10-6
mol·m-2
·s-1
·Pa-1
,分离因子分别为153、22。M.P.Bernal[AIChE Journal.2004,50]等人在氧化铝和不锈钢管载体上制备了MFI分子筛膜(ZSM-5),并测试了其对CO2
/N2
混合物的分离性能,最好的分离性能是用Na-ZSM5膜,其分离选择性高达13.7。
近年来,人们已成功将各种金属元素引入到MFI分子筛膜的骨架内,探讨新的研究领域。Pera-Titus[Microporous and Mesoporous Materials,2010,133(1-3):18-26]等人合成了B-MFI分子筛膜,与传统铝基MFI中空纤维膜相比,B-MFI中空纤维膜对对二甲苯的分离性能有所提高。Zhang[Separation and Purification Technology,2001,25:269-74]等人合成了无裂纹的Fe-MFI分子筛膜,Fe元素被纳入分子筛骨架中,合成的Fe-MFI分子筛膜H2
的渗透率为3.0×10-6
mol·m-2
·s-1
·Pa-1
,H2
/C3
H8
的分离系数为25.8。
基于此,如何通过金属元素的引入来进一步提高CO2
/N2
的分离性能仍是当下需要攻关的问题。
实现思路