多孔炭分子筛膜的应用研究

任莉 高会元

(1.河北联合大学迁安学院 河北迁安 064400;2.河北联合大学化学工程学院 河北唐山 063000)

多孔炭分子筛膜是近年来膜分离领域研究的热点,由于其具有均布的孔隙结构和较强的渗透通量,广泛应用于航天材料、纳米材料、电化学材料和功能材料等诸多领域。其孔径尺寸接近于气体分子直径,可以根据分子筛分机理对气体混合物进行分离,它不仅具有较高的耐高温、高压、耐酸碱、耐化学溶剂的能力,以及较高的机械强度,而且还具有比较均一的孔径分布和较高的渗透性和分离选择性,由于具有卓越的分子筛分与传递性能,在小分子气体的分离与回收方面应用十分广泛。

1 多孔炭分子筛膜的应用研究

多孔炭分子筛膜主要用于分离和提纯。其中分离过程既包括液体的分离,也包括气体的分离。在气体的分离方面,主要对于工厂废气中的CO2,空气中的O2/N2,合成氨驰放气中H2的分离等,多孔炭分子筛膜表现出优异的分离性能,得到了广泛的应用。

1.1 化工废水的处理

多孔炭分子筛膜用于液体分离的过程,是以压力差或浓度差为推动力来实现分离,对于分离的液体不同,选择的推动力有所不同。魏微等人[1]用不同孔径的酚醛树脂基管状微滤炭膜,对两种模拟染料废水溶液进行处理,考察了膜孔径、原料液浓度、测试压力和测试时间对截留率和膜通量的影响。实验结果表明,该成品炭膜对模拟染料废水有较好的处理效果。

1.2 CO2的分离

近年来,由于工业CO2气体排放量逐渐增加,导致温室效应和大气污染问题日益严重,采用多孔炭分子筛膜,对工厂废气进行分离CO2气体,已经成为一种高效、节能的分离手段,具有较好的发展前景。Yoshimune等人[2]制得的炭分子筛膜,对CO2/CH4的选择性较好,可以用于分离天然气中混合的CO2气体。Song Chengwen等[3]在多孔煤基管状支撑体上涂覆聚糠醇涂膜液,经炭化在支撑体上形成一薄层炭膜,经各种表征手段表明形成的复合炭膜对CO2/N2的分离系数可达58.8,此炭膜与其他聚合物形成的炭膜相比在CO2气体的分离领域更具优越性。

1.3 H2的回收

进入21世纪以来,世界各国加大了对清洁能源的研究与开发。氢气作为首选的清洁能源正在不断地被开发利用,在工业生产的许多场合,有大量的富含氢气的混合气,如炼厂气、合成氨弛放气和煤气化的混合物等,为了有效利用能源,采用膜分离技术回收氢气具有重要的应用价值。万思青[4]等制得的高氢选择性炭分子筛膜,H2/CH4分离因子达到951,H2/N2分离因子为380,氢气渗透速率达到1.64×10-8mol/(m2·s·Pa)。Huang等[5]在多孔氧化铝载体上,以氨丙基三乙氧基硅烷为共价键连接剂,水热合成了LTA型分子筛薄膜,厚度约为3.5μm。该膜具有良好的分子筛分性能。在293K时,对二元混合物H2/CH4,H2/N2,H2/O2和H2/CO2的分离因子分别为3.6、4.2、4.4和5.5,高于努森扩散系数,H2的渗透通量为3.0×10-7mol/(s·m2·Pa),可以很好的用于氢气的分离。

1.4 膜反应器

膜反应器是一种集催化反应和化学反应于一体的多功能膜反应装置。可以将反应产物的一部分或全部从反应区取出,打破热力学平衡的限制,提高反应的转化率。膜反应器是膜和化学反应或生物反应相结合的系统或设备。膜反应器使得反应与分离在高温下同时进行成为可能,可实现高收率、高纯度化学产品的制备。炭材料在450℃以上仍然具有很好的化学稳定性和热稳定性,大多数工业相关的反应温度都处在这个温度左右,因此多孔炭分子筛膜在这方面具有广阔的应用领域。

2 多孔炭分子筛膜的展望

多孔炭分子筛膜作为一种新型、高效、节能的分离膜材料,很有发展前景。但目前普遍存在的问题是多孔炭分子筛膜的分离因数和分离选择性并不能同时达到预想的效果,如何得到分离选择性好而且分离产率高的多孔炭分子筛膜将是今后多孔炭分子筛膜制备研究的重点。随着不断深入和细致的研究,相信在不远的将来,多孔炭分子筛膜的分离性能会不断地提高与完善。

[1]魏微,胡浩权,秦国彤,等.炭膜处理印染废水的影响因素[J].水处理技术,2007(2):31-33.

[2]Miki Yoshimune,Takuji Yamamoto,Masaru Nakaiwa,et al. Preparation of highly mesoporous carbon membranes via a sol–gel process using resorcinol and formaldehyde,Carbon,2008,46(7):1031-1036.

[3]Chengwen Song,Tonghua Wang,Xiuyue Wang,et al.Preparation and gas separation properties of poly(furfurl alcohol)-based C/CMS composite membranes.Separation and purification technology,2008,58(3):412-418.

[4]万思青,秦国彤,魏微.高氢选择性分子筛炭膜的制备[J].膜科学与技术,2008(4):87-90.

[5]Huang A, Liang F Y, Steinbach F, et al. Preparation and separation properties of LTA membr- anes by using 3-aminopropyltriethoxysilane as covalent linker[J]. Journal of Membrane Science, 2010(1-2):5-9.