压应力辅助法制备FER型沸石分子筛膜的探索研究开题报告

1. 研究目的与意义

人工合成沸石分子筛膜是从19世纪50年代由于天然沸石的紧缩而发展起来的一种新型无机膜。沸石分子筛膜具有一般无机膜耐高温、抗化学侵蚀与生物侵蚀、稳定性强、机械强度高、通量大的特性；还具有分子筛独特的优点：具有孔径小(一般小于1nm)、均一，孔道呈周期性排列的结构特点,具有分子筛分性能,比表面积大,吸附能力强等特点。沸石分子筛依据其结构中si/al可调节的特性，可以改变亲疏水性。随着结构硅铝比的増加，其亲水性能下降，疏水性能增强，同时耐酸性提高；沸石分子筛孔结构上阳离子能够交换，可利用离子交换等手段对分子筛表面、孔道及空腔上的阳离子进行选择性修饰，实现分子筛孔结构的精准调控，使其满足吸附、分离及催化等领域的应用要求。这些特性使得沸石分子筛膜在渗透蒸发技术和气体分离等具有重大潜力的领域表现出广阔的应用前景。

fer型沸石分子筛是一种中孔的沸石膜，其中包含镁碱沸石（ferrierite）膜和zsm-35型沸石分子筛膜等，但由于这些沸石膜的x射线衍射图谱难以区别，因此通常统称为fer型沸石分子筛膜。fer型沸石分子筛膜的骨架以si、al元素为主，si/al比一般在8-70之间，其具有独特的二维孔道结构，孔道尺寸为（0.420.54 nm）和（0.350.48 nm）。在研究时发现，fer型沸石膜对苯具有较强的吸附能力，在苯/对二甲苯混合物分离时对苯具有高选择性。对苯/对二甲苯、丁烷异构体以及二甲苯异构体等分子尺寸介于0.4~0.7 nm之间的混合物的分离具有良好的性能。fer型沸石以其特有的孔道结构，对多种催化反应具有优良的性能。对稀烃骨架异构化具有非常优异的活性、稳定性及选择性。fer型沸石在分离和催化等方面都拥有广阔的应用前景。

20世纪60年代初，沸石分子筛合成体系首次引入有机碱，在逐步地取代无机碱，给沸石分子筛的合成工作带来了突破性的进展。在合成中发现，有机碱为沸石结构的生成提供了一定的模板作用或起到了结构导向剂作用。由此，也称有机碱为模板剂。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容：

fer型沸石分子筛是一种中孔的沸石膜，具有独特的二维孔道结构，对苯/对二甲苯、丁烷异构体以及二甲苯异构体等分子的混合物的分离具有良好的性能，因此开展对fer型沸石膜的制备及应用研究具有重要的意义。本实验初次尝试采用压应力辅助的方法，在大孔管状α-al₂o₃载体外表面制备fer型沸石分子筛膜，其具体研究内容如下：

（1）采用水热合成法制备fer型沸石晶种，采用xrd及sem技术对其纯度、结晶度及大小、形貌进行表征，考察不同合成条件对合成fer型沸石晶种的影响，寻找与载体管相匹配的晶种颗粒的最优的合成条件；

3. 研究的方法与步骤

1.采用水热合成法制备fer型沸石晶种，确定合成原料、选择实验药品、记录药品相关参数并计算合成原料配比、确定合成方法。完成清洗和熟悉实验装置的准备工作。按配比称取一定量的水玻璃，并加入部分去离子水溶解，滴加模板剂吡咯烷作为硅源，按配比称取一定量al₂(so₄)₃18h₂o固体，并加入部分去离子水溶解，滴加h₃po₄溶液作为铝源，在磁力揽拌的作用下往作为硅源的溶液之中缓慢滴加作为铝源的溶液，继续搅拌，陈化数小时直至形成均匀的合成液。参考的配制的合成液的组成为：1al₂o₃:66.5sio₂:20na₂o:4.8h₃po₄:37c₄h₉n:2092h₂o。

2.将配制好的合成液缓慢倒入反应釜，将反应釜密封，放置于一定的烘箱中晶化一段时间后将反应釜取出，用水急冷终止反应。倒掉上层液体，留剩余悬浊液，得到晶种粉末，用去离子水洗漆至中性，在一定温度下干燥。另外，将含有硅源的溶液滴加入上述含有铝源的溶液之中，重复上述步骤再次进行实验。得到两次加料顺序相反的晶种粉末。采用xrd及sem技术对其纯度、结晶度及大小、形貌进行表征，考察不同合成条件对合成fer型沸石晶种的影响，寻找与载体管相匹配的晶种颗粒的最优的合成条件。

3.在大孔α-al₂o₃载体管外表面采用压应力辅助法制备薄且均匀连续的晶种层，对大孔α-al₂o₃载体管进行预处理，用不同目数的砂纸从粗到细打磨3根载体管，每根分割成3段，用超声波清洗仪清洗以及在马弗炉中以一定温度焙烧一段时间。在焙烧时需要多次实验，选择不同的最高焙烧温度来对比脱除模板剂的效果以及最高温度对晶种层的影响。将fer型分子筛与去离子水混合，配制成两次晶种的不同浓度的晶种悬浮液备用，第一步载体管修饰过程：用fer型沸石晶种添堵载体大孔，修饰载体表面。将载体管两端密封，浸于配置的一定浓度的晶种悬浮液中，浸溃时间控制在一定范围内，参考时间范围为15~25s，后续根据实验情况判断并选择最佳时间，缓慢提拉取出，控制一定速度取出，参考1cm／min并在后期实验中选择不同速度进行测试。第二步擦涂过程：将冷却干燥后的载体管用脱脂棉擦涂载体管表面，将多余的晶种擦掉，同时补涂未被填补的大孔。使用不同浓度的晶种悬浮液，并重复上述步骤。最大限度缩小晶种层的空隙率，并提高晶种层与载体管的结合力；寻找获得最优晶种层的制备工艺。

4. 参考文献

[1] 刘垚,吕陈美,朱玲,王玮琳,李哲郁,白钰.沸石分子筛膜合成的新方法[j].膜科学与技术,2020,40(03):145-150.doi:10.16159/j.cnki.issn1007-8924.2020.03.019.

[2] 吕尤佳. t型沸石分子筛膜的制备及分离性能研究[d].大连理工大学,2016.

[3] 顾学红,张春. 高性能沸石分子筛膜的制备与应用技术[c]//中国膜工业协会,中国科技部国际合作司,山东省科技厅,威海市人民政府,中国科学院.2015年中国——欧盟膜技术研究与应用研讨会论文集.[出版者不详],2015:151-158.

5. 计划与进度安排

1. 2024年12月19日～2024年3月5日 查阅相关文献，了解论文的研究内容、确定合成方法并寻找适宜的原料配比。

2. 2024年3月6日～2024年3月12日 确定合成原料所需的试剂成分并根据已确定的原料配比计算需要的药品重量。并完成开题报告。

3. 2024年3月13日～2024年3月19日 配置合成液放入反应釜中晶化，并洗涤。打磨载体管。修改开题报告并且上传。