NaA分子篩膜的合成及條件優(yōu)化

張青鵬，周志輝，郭大鵬，堯鵬魁，李向波，徐嘉晨

（武漢科技大學(xué) 冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081）

NaA分子篩膜的合成及條件優(yōu)化

張青鵬，周志輝，郭大鵬，堯鵬魁，李向波，徐嘉晨

（武漢科技大學(xué) 冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081）

以二次生長法為基礎(chǔ)，在α-Al2O3載體上，采用熱浸漬法合成出連續(xù)致密的NaA分子篩膜，并將其應(yīng)用于乙醇脫水反應(yīng)；通過改變鋁源﹑攪拌轉(zhuǎn)速﹑晶化時間﹑晶化溫度及晶化次數(shù)等合成條件，對NaA分子篩膜的合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化；采用XRD和SEM手段表征NaA分子篩膜。表征結(jié)果顯示，合成的NaA分子篩膜晶體具有較高的結(jié)晶度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以NaAlO2（Na2O含量38%（w），Al2O3含量50%（w），水含量11%（w））為合成液中的鋁源，在攪拌轉(zhuǎn)速為90 r/min、晶化溫度為97 ℃、晶化2次、每次晶化時間均為3.6 h的條件下，可合成出滲透汽化性能更優(yōu)的NaA分子篩膜，膜的滲透通量可以達(dá)到1.36 kg/（m2·h），分離系數(shù)可達(dá)到12 730。

NaA分子篩膜；乙醇脫水反應(yīng)；滲透汽化

作為一種特殊的提純工藝［1］，滲透汽化以能耗低、操作方便、無二次污染且能克服傳統(tǒng)蒸餾法難以分離或無法分離近沸、恒沸有機(jī)混合物的缺點(diǎn)［2］，在節(jié)能減排、節(jié)約成本及提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性方面比傳統(tǒng)的混合液體分離方法有明顯優(yōu)勢［3］。同時，滲透汽化過程很容易與其他化工過程（反應(yīng)、精餾等）耦合，具有廣闊的應(yīng)用前景及市場［4-6］。

有機(jī)溶劑脫水膜材料主要包括有機(jī)高分子膜和無機(jī)膜。有機(jī)高分子膜研究相對較早，目前工業(yè)化的有機(jī)膜材料為聚乙烯醇（PVA）。然而，有機(jī)膜材料存在易溶脹、熱化學(xué)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，且難以同時獲得高通量和選擇性，使其在有機(jī)溶劑脫水領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。沸石分子篩膜是一類具有規(guī)則微孔道結(jié)構(gòu)的無機(jī)膜材料，利用孔道的選擇性吸附—擴(kuò)散和篩分特性實(shí)現(xiàn)組分的分離，同時具有高通量、選擇性和穩(wěn)定性，已成為新一代重要的有機(jī)溶劑脫水膜材料［5，7］。其中，NaA分子篩膜是一種親水性極強(qiáng)的分子篩。NaA分子篩孔口由八元環(huán)圍成，其孔徑為0.41 nm，比水的動力學(xué)直徑（0.29 nm）要大得多，比工業(yè)上常用的乙醇、異丙醇等有機(jī)溶劑的分子動力學(xué)直徑小。研究結(jié)果表明，NaA分子篩膜的滲透汽化操作成本僅為PVA膜的1/2，使用壽命為有機(jī)膜的2倍［8-10］。因此，NaA分子篩膜在有機(jī)溶劑脫水［11-13］中具有廣闊的應(yīng)用前景和價值。

本工作以二次生長法為基礎(chǔ)，在α-Al2O3載體上，采用熱浸漬法合成出連續(xù)致密的NaA分子篩膜，并將其應(yīng)用于乙醇脫水反應(yīng)；通過改變鋁源﹑攪拌轉(zhuǎn)速﹑晶化時間﹑晶化溫度及晶化次數(shù)等合成條件，對NaA分子篩膜的合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑

硅溶膠：工業(yè)品（SiO2含量32.5%（w），密度1.15～1.17 g/mL），青島海洋化工有限公司；氫氧化鈉：分析純（含量不低于96%（w）），天津大茂化學(xué)試劑廠；NaAlO2Ⅰ（Na2O含量38%（w），Al2O3含量50%（w），水含量11%（w））：工業(yè)品，山東淄博同潔化工廠；NaAlO2Ⅱ（Na2O含量27%（w），Al2O3含量33%（w），水含量40%（w））：工業(yè)品，山東淄博昭宇工貿(mào)有限公司；NaAlO2Ⅲ（Na2O含量33%（w），Al2O3含量41%（w），水含量26%（w））、硫酸鋁（含量99%（w））、活性Al2O3·H2O：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑北京有限公司；活性Al（OH）3：分析純（含量35%（w）），天津金匯太亞化學(xué)試劑有限公司；無水乙醇：分析純（含量不低于99.2%（w）），天津市福晨化學(xué)試劑廠；α-Al2O3載體：管狀，孔隙率為38%，平均孔徑為2～3 μm，內(nèi)徑為8 mm，外徑為12 mm，長度為800 mm，揭西利順科技有限公司；A型小晶種：粒徑約為0.6～2 μm，實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 儀器與設(shè)備

采用Rigaku公司D/max-2400型X射線衍射儀進(jìn)行XRD表征；采用德國FEI公司Nava 400 Nano型掃描電子顯微鏡觀察試樣的微觀形貌。

Sartorius BSIOS型天平：北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司；JJ-1型精密增力電動攪拌器：常州博遠(yuǎn)實(shí)驗(yàn)分析儀器廠；品冠PGD-100-AS型純水機(jī)；YD-1036型超聲波清洗機(jī)：常州市佑達(dá)波設(shè)備有限公司；YDN-2000型運(yùn)動黏度測定儀：山東淄博海諾儀器有限公司；101-3E型電熱鼓風(fēng)干燥箱：北京市永光明醫(yī)療儀器廠；熱風(fēng)循環(huán)干燥箱（定制）：吳江永盛烘箱制造有限公司；GC9750型氣相色譜儀：浙江福立分析儀器有限公司；滲透汽化評價裝置、預(yù)涂晶種裝置、攪拌罐：實(shí)驗(yàn)室自制。

1.3 NaA分子篩膜的制備

取α-Al2O3載體管若干，用流動的蒸餾水清洗后放入超聲機(jī)內(nèi)超聲震蕩，去除載體孔內(nèi)雜質(zhì)，然后將載體管取出用蒸餾水沖洗，最后放入潔凈的容器內(nèi)備用。

取A型小晶種若干，與蒸餾水混合，配成微米級晶種懸浮液，并將其置于超聲清洗機(jī)中，使其充分混合，2 h后取出，冷卻備用。

采用熱浸漬法對載體管進(jìn)行預(yù)涂晶種。將經(jīng)預(yù)處理后的α-Al2O3載體管的兩端用聚四氟乙烯塞密封，放在155 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中干燥3 h，快速取出并置于預(yù)先配制好的晶種懸浮液中，對載體管進(jìn)行第1次預(yù)涂晶種；靜置20 s后緩慢勻速取出，立即取下聚四氟乙烯塞放出載體管內(nèi)的水，令載體管在室溫下冷卻、干燥。重復(fù)上述步驟，進(jìn)行第2次預(yù)涂晶種［14-15］。將涂有晶種的載體管在室溫下靜置6 h以上，備用。

將硅溶膠、NaAlO2、氫氧化鈉和蒸餾水按n（Na2O）：n（SiO2）：n（Al2O3）：n（H2O）= 50：5：1：1 200配制溶膠，在室溫下攪拌陳化若干小時，形成合成液溶膠。將上述預(yù)涂晶種的α-Al2O3載體管兩端密封放入反應(yīng)釜中，然后將合成液溶膠倒入不銹鋼反應(yīng)釜內(nèi)，在75 ℃下晶化若干小時，晶化過程中在定制的熱風(fēng)循環(huán)干燥箱內(nèi)不停地轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為40 r/min，重復(fù)晶化多次。晶化反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)釜取出，迅速冷卻，用蒸餾水反復(fù)沖洗載體管以去除其表面游離的分子篩，同時使其至中性，室溫晾干，獲得NaA分子篩膜。

1.4 NaA分子篩膜的性能測試

在乙醇-水體系中于65 ℃下采用流通式的檢測方法，測試NaA分子篩膜的滲透汽化性能，并利用氣相色譜儀檢測結(jié)果，具體裝置及操作方法見文獻(xiàn)［16-17］。分子篩膜的滲透汽化性能常通過滲透通量和分離系數(shù)來衡量［18-19］。通常滲透通量和分離系數(shù)是不一致的，當(dāng)滲透通量和分離系數(shù)都較高時，即可認(rèn)為分子篩膜的綜合滲透汽化性能好。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD表征結(jié)果

圖1為采用熱浸漬法在α-Al2O3載體上引入晶種制備的NaA分子篩膜的XRD譜圖。由圖1可知，采用熱浸漬法制備的NaA分子篩膜在2θ=7.14°，10.14°，12.42°，16.06°處存在4個高度依次減小的強(qiáng)衍射峰，在2θ=21.66°，23.98°，27.12°，29.42°，34.54°處存在5個強(qiáng)衍射峰，具有典型的NaA分子篩特征峰，無雜晶峰，說明成功制備出了NaA分子篩膜。此外，制備的NaA分子篩膜特征峰較強(qiáng)，說明NaA分子篩膜晶體具有較高的結(jié)晶度。

2.2 鋁源對NaA分子篩膜性能的影響

表1為不同鋁源制備的NaA分子篩膜性能的對比。由表1可知，當(dāng)NaAlO2作為鋁源時，制備的NaA分子篩膜可以將原料中的乙醇提純到99%（w）以上；當(dāng)Al2（SO4）3作為合成液的鋁源時，制備的NaA分子篩膜具備一定的提純性能，但相比NaAlO2為鋁源時的分子篩膜性能較差；當(dāng)以活性Al（OH）3、活性Al2O3·H2O為合成液的鋁源時，制備出的NaA分子篩膜表現(xiàn)分離性能極差。這是由于不同鋁源在堿性溶液中的溶解度不同，從而導(dǎo)致制備出的膜的性能不同。因此，合成液中的鋁源最優(yōu)選擇為NaAlO2。

圖1 α-Al2O3載體（a）上制備的NaA分子篩膜（b）的XRD譜圖Fig.1 XRD spectra of α-Al2O3support(a) and prepared NaA zeolite membranes(b).* α-Al2O3support peak

表1 不同鋁源制備的NaA分子篩膜性能的對比Table 1 Performances of NaA zeolite membranes prepared from diferent aluminum sources

2.3 不同NaAlO2對NaA分子篩膜性能的影響

采用水熱法，以3種不同NaAlO2為鋁源，對制備的NaA分子篩膜乙醇脫水性能及膜形貌的影響見表2。由表2可知，當(dāng)合成液配比及其他合成條件都相同時，使用NaAlO2Ⅰ制備的NaA分子篩膜的性能與用NaAlO2Ⅲ制備的NaA分子篩膜的滲透汽化性能相當(dāng)，但用NaAlO2Ⅲ制備的NaA分子篩膜的性能更好；用NaAlO2Ⅱ制備的NaA分子篩膜性能相對較差。

圖2為不同NaAlO2制備的NaA分子篩膜的SEM照片。由圖2可知，M10膜表面晶粒分散不夠均勻，晶粒之間互生性差；膜層疏松，生長連續(xù)性差，致密性明顯低于M9和M11的膜層，與載體表面結(jié)合得不夠緊密。M9和M11膜層連續(xù)致密，與載體結(jié)合緊密，說明采用NaAlO2Ⅰ和NaAlO2Ⅱ制備的分子篩膜均具備很好的提純性能。結(jié)合表2可知，采用NaAlO2Ⅲ為鋁源制備的膜性能最優(yōu)。

這是因?yàn)镹aAlO2Ⅲ在配制合成液時，其溶解性高于NaAlO2Ⅰ和NaAlO2Ⅱ，在晶化過程中更易在載體表面形成更加均勻、致密的膜，故合成的膜分離性能更優(yōu)。但由于NaAlO2Ⅲ成本高，而NaAlO2Ⅱ中鋁的含量較低，綜合考慮，在NaA分子篩膜工業(yè)化批量生產(chǎn)的過程中，用NaAlO2Ⅰ為合成液提供鋁源最為合適。

2.4 攪拌轉(zhuǎn)速對NaA分子篩膜性能的影響

圖3為攪拌轉(zhuǎn)速對NaA分子篩膜性能的影響。由圖3可知，隨著合成液在攪拌罐中攪拌速率的增大，NaA分子篩膜的滲透通量逐漸增大，在155r/min時，NaA分子篩膜的滲透通量高達(dá)1.87 kg/（m2·h），分離系數(shù)為240，分子篩膜的滲透液中含水率僅為97.42%，說明在轉(zhuǎn)速為155 r/min時，晶化過程不完全，分子篩膜在載體表面沒有形成致密的膜。這是因?yàn)樵诓煌霓D(zhuǎn)速下得到的溶液的黏度不同，隨著轉(zhuǎn)速的增加，溶液的黏度不斷減小。

表2 不同NaAlO2對制備NaA分子篩膜的影響Table 2 InfuenceS of diferent NaAlO2on the preparation of NaA zeolite membranes

圖2 不同NaAlO2制備的NaA分子篩膜的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of the NaA zeolite membranes preparation from diferent NaAlO2. Synthesis conditions：stirring speed 90 r/min，95 ℃，synthesis twice，3.6 h.

圖3 攪拌轉(zhuǎn)速對NaA分子篩膜性能的影響Fig.3 Efects of stirring speed on the performances of the NaA zeolite membranes.Synthesis conditions：M11 as source aluminum，95 ℃，synthesis twice，3.6 h.▲ Flux；■ Separation factor

表3為攪拌轉(zhuǎn)速對合成液黏度的影響。由表3可知，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的逐漸增大，合成液的動力學(xué)黏度不斷減小。在反應(yīng)釜中放入預(yù)涂晶種后的載體及合成液，由于合成液的黏度變小，使其在烘箱轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)過程中合成液與載體的附著力變小，從而導(dǎo)致在載體上沒有充分的時間生長出致密的膜層。所以在相同的晶化時間下，合成液攪拌轉(zhuǎn)速快時合成出來的NaA分子篩膜性能差。由于載體表面膜的致密程度不足，導(dǎo)致膜的滲透通量逐漸增大。綜合考慮，選擇攪拌轉(zhuǎn)速為90 r/min較佳。

表3 攪拌轉(zhuǎn)速對合成液黏度的影響

Table 3 Efect of stirring speed on the viscosity of the synthesis solution

Synthesis conditions：M11 as aluminum source，95 ℃，synthesis twice，3.6 h.

2.5 晶化時間對NaA分子篩膜性能的影響

2018年5月2日，習(xí)近平總書記在北京大學(xué)考察時勉勵廣大青年要成為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的生力軍，肩負(fù)起國家和民族的希望。他指出，教育興則國家興，教育強(qiáng)則國家強(qiáng)。我們的教育要培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人。

圖4為晶化時間對NaA分子篩膜性能的影響。由圖4可知，隨著晶化時間的逐漸增加，NaA分子篩膜的滲透通量逐漸減??；分離系數(shù)隨時間的延長先增加后減小。2次晶化時間都為3.6 h時，膜的滲透通量達(dá)到1.2 kg/（m2·h），分離系數(shù)高達(dá)9 092；而在晶化時間2次都為3.8 h時，膜的滲透通量降低至0.76 kg/（m2·h），分離系數(shù)降到1 715。這是由于隨晶化時間的延長，膜層厚度增加，膜的滲透通量變小，NaA分子篩具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，在一定條件下可以轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N熱力學(xué)上更加穩(wěn)定的分子篩或其他物質(zhì)，這是由分子篩的性質(zhì)和環(huán)境決定的［20］。在晶化時間為3.4 h時，膜的滲透通量達(dá)到1.41 kg/（m2·h），然而分離系數(shù)卻為637，這是由于晶化時間不足，在載體表面形成的膜不夠致密。在制備NaA分子篩粉末時，晶化時間過長NaA分子篩會發(fā)生溶解并轉(zhuǎn)晶生成X型或羥基方鈉石分子篩，因此，晶化時間為3.8 h時，膜表面的連續(xù)程度下降。在晶化溫度為90 ℃時，晶化時間為3.6 h制備的NaA分子篩膜晶型最為完整，膜層更連續(xù)致密，分離性能最優(yōu)。

圖4 晶化時間對NaA分子篩膜性能的影響Fig.4 Efects of synthesis time on the performances of the NaA zeolite membranes.Synthesis conditions：M11 as aluminum source，90 ℃，stirring speed 90 r/min， synthesis twice.▲ Flux；■ Separation factor

2.6 晶化溫度對NaA分子篩膜性能的影響

圖5為晶化溫度對NaA分子篩膜性能的影響。由圖5可知，隨著晶化溫度的升高，NaA分子篩膜的滲透通量先逐漸升高，然后趨于穩(wěn)定；分離系數(shù)隨晶化時間的延長，呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，滲透通量在晶化溫度為97 ℃時達(dá)到1.36 kg/（m2·h），分離系數(shù)達(dá)到12 730。這是由于在一定的晶化溫度范圍內(nèi)，溫度升高有利于增大NaA分子篩的生長速度，提高晶體的結(jié)晶度；但在晶化時間相同的情況下，溫度的繼續(xù)升高會導(dǎo)致膜的連續(xù)性降低，這就導(dǎo)致膜的滲透通量在晶化溫度高于97℃時逐漸變小，分離系數(shù)也隨著減小。

圖5 晶化溫度對NaA分子篩膜性能的影響Fig.5 Efects of synthesis temperature on the performances of the NaA zeolite membranes.Synthesis conditions：M11 as aluminum source，synthesis twice，stirring speed 90 r/min，3.6 h.▲ Flux；■ Separation factor

2.7 晶化次數(shù)對NaA分子篩膜性能的影響

表4為晶化次數(shù)對NaA分子篩膜性能的影響。由表4可知，2次晶化的膜分離效果明顯；1次合成的膜沒有分離效果；3次合成的膜性能與2次合成的膜性能相近。這是由于1次合成時，合成不完全，載體管表面沒有生成連續(xù)、致密、無缺陷的分子篩膜層，所以導(dǎo)致制備的膜的滲透汽化性能很差。2次合成制備的膜的滲透通量不低于1.230 kg/（m2·h），分離系數(shù)高達(dá)11 118。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過2次水熱合成制備的分子篩膜沒有缺陷，同時具有很高的滲透汽化性能。合成3次得到的膜雖然分離系數(shù)與合成2次的膜相近，但膜的滲透通量明顯降低，這是因?yàn)榫Щ螖?shù)增加導(dǎo)致制備的膜厚度增加，降低了膜的透過性，但其選擇性與2次合成相近。因此，晶化次數(shù)取2次最為適宜。

表4 晶化次數(shù)對NaA分子篩膜性能的影響Table 4 Efects of the synthesis times on the performances of the NaA zeolite membranes

3 結(jié)論

1）利用二次生長法，在α-Al2O3載體上，晶化2次的條件下合成出連續(xù)致密的NaA分子篩膜，有效地減少了晶化次數(shù)，優(yōu)化了NaA分子篩膜的滲透汽化性能。

2）以NaAlO2（Na2O含量38%（w），Al2O3含量50%（w），水含量11%（w））為合成液中的鋁源，在攪拌轉(zhuǎn)速90 r/min、晶化溫度97 ℃、晶化2次、每次晶化時間均為3.6 h的條件下可合成出滲透汽化性能更優(yōu)的NaA分子篩膜，膜的滲透通量可達(dá)到1.36 kg/（m2·h），分離系數(shù)可達(dá)到12 730，相比合成3次的NaA分子篩膜，膜的各項(xiàng)性能都有所提高。

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（編輯 楊天予）

日本松下公司開發(fā)出新型聚丙烯樹脂

日經(jīng)技術(shù)在線（日），2016 - 04 - 07

日本松下公司近日宣布開發(fā)出一種可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀加工的光擴(kuò)散型聚丙烯（PP）樹脂成型材料，其商品名為“FULL BRIGHT PP”。該材料除了可以進(jìn)行注射成型外，還可以進(jìn)行注射拉伸吹塑成型，為提高設(shè)計自由度作出貢獻(xiàn)。

通常LED照明會在燈的周圍放上可以使亮度均勻的擴(kuò)散板，該擴(kuò)散板的基材大部分都使用聚碳酸酯及丙烯類樹脂。近來，隨著LED光源設(shè)置環(huán)境的不斷變化，擴(kuò)散板的基材要求具有更高的耐光性、耐久性及進(jìn)一步輕量化。以往使用的光擴(kuò)散板材聚碳酸酯和丙烯類樹脂雖具有優(yōu)良的加工性，但這些材料比重較高，存在需要產(chǎn)品進(jìn)一步輕量化。光擴(kuò)散性PP樹脂成型材料雖然比重較低，但其屬于結(jié)晶性樹脂，流動性較差，難于實(shí)現(xiàn)設(shè)計形狀復(fù)雜的加工，且還存在耐光性的問題。

新開發(fā)的“FULL BRIGHT PP”材料采用松下公司自主開發(fā)的熔融控制技術(shù)，可將材料的熔體流動速率（MFR）提高到25 g（10 min）（以往產(chǎn)品為20 g（10 min）），可滿足注射拉伸吹塑成型要求及原來所無法實(shí)現(xiàn)的0.5 mm薄壁成型。同時還可以用于創(chuàng)意性高LED照明的深沖成形和曲面復(fù)雜設(shè)計的精加工成型。

Synthesis of NaA zeolite membranes

Zhang Qingpeng，Zhou Zhihui，Guo Dapeng，Yao Pengkui，Li Xiangbo，Xu Jiacheng
（Hubei Key Laboratory for Efcient Utilization and Agglomeration of Metallurgical Mineral Resources，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430081，China）

Based on the secondary growth method，continuous and compact NaA zeolite membranes were synthesized on α-Al2O3support through hot dip-coating. They were characterized by means of XRD and SEM，and applied in the dehydration of ethanol. Through changing the synthesis conditions，namely aluminum source，stirring speed，crystallization time，crystallization temperature and crystallization times，the synthesis process of the NaA zeolite membranes was optimized. It was shown that the synthesized NaA zeolite membranes had high crystallinity. The synthesized NaA zeolite membranes exhibited high performances in the pervaporization with the fux of 1.36 kg/(m2·h) and the separation factor of 12 730 under the synthesis conditions of NaAlO2(Na2O content 38%(w)，Al2O3content 50%(w)，water content 11%(w) as the aluminum source in the synthesizing solution，stirring speed 90 r/min，crystallization temperature 97 ℃，crystallization twice and each crystallization time 3.6 h.

NaA zeolite membrane；ethanol dehydration；pervaporization

1000 - 8144（2016）08 - 0976 - 06

TQ 051.893

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.08.015

2015 - 12 - 23；［修改稿日期］2016 - 04 - 05。

張青鵬（1990—），男，湖北省仙桃市人，碩士生。聯(lián)系人：周志輝，電話 13871294049，電郵 13871294049@139.com。