任莉 高會(huì)元

(1.河北聯(lián)合大學(xué)遷安學(xué)院 河北遷安 064400;2.河北聯(lián)合大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院 河北唐山 063000)

多孔炭分子篩膜是近年來膜分離領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),由于其具有均布的孔隙結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的滲透通量,廣泛應(yīng)用于航天材料、納米材料、電化學(xué)材料和功能材料等諸多領(lǐng)域。其孔徑尺寸接近于氣體分子直徑,可以根據(jù)分子篩分機(jī)理對(duì)氣體混合物進(jìn)行分離,它不僅具有較高的耐高溫、高壓、耐酸堿、耐化學(xué)溶劑的能力,以及較高的機(jī)械強(qiáng)度,而且還具有比較均一的孔徑分布和較高的滲透性和分離選擇性,由于具有卓越的分子篩分與傳遞性能,在小分子氣體的分離與回收方面應(yīng)用十分廣泛。

1 多孔炭分子篩膜的應(yīng)用研究

多孔炭分子篩膜主要用于分離和提純。其中分離過程既包括液體的分離,也包括氣體的分離。在氣體的分離方面,主要對(duì)于工廠廢氣中的CO2,空氣中的O2/N2,合成氨馳放氣中H2的分離等,多孔炭分子篩膜表現(xiàn)出優(yōu)異的分離性能,得到了廣泛的應(yīng)用。

1.1 化工廢水的處理

多孔炭分子篩膜用于液體分離的過程,是以壓力差或濃度差為推動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)分離,對(duì)于分離的液體不同,選擇的推動(dòng)力有所不同。魏微等人[1]用不同孔徑的酚醛樹脂基管狀微濾炭膜,對(duì)兩種模擬染料廢水溶液進(jìn)行處理,考察了膜孔徑、原料液濃度、測(cè)試壓力和測(cè)試時(shí)間對(duì)截留率和膜通量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該成品炭膜對(duì)模擬染料廢水有較好的處理效果。

1.2 CO2的分離

近年來,由于工業(yè)CO2氣體排放量逐漸增加,導(dǎo)致溫室效應(yīng)和大氣污染問題日益嚴(yán)重,采用多孔炭分子篩膜,對(duì)工廠廢氣進(jìn)行分離CO2氣體,已經(jīng)成為一種高效、節(jié)能的分離手段,具有較好的發(fā)展前景。Yoshimune等人[2]制得的炭分子篩膜,對(duì)CO2/CH4的選擇性較好,可以用于分離天然氣中混合的CO2氣體。Song Chengwen等[3]在多孔煤基管狀支撐體上涂覆聚糠醇涂膜液,經(jīng)炭化在支撐體上形成一薄層炭膜,經(jīng)各種表征手段表明形成的復(fù)合炭膜對(duì)CO2/N2的分離系數(shù)可達(dá)58.8,此炭膜與其他聚合物形成的炭膜相比在CO2氣體的分離領(lǐng)域更具優(yōu)越性。

1.3 H2的回收

進(jìn)入21世紀(jì)以來,世界各國加大了對(duì)清潔能源的研究與開發(fā)。氫氣作為首選的清潔能源正在不斷地被開發(fā)利用,在工業(yè)生產(chǎn)的許多場(chǎng)合,有大量的富含氫氣的混合氣,如煉廠氣、合成氨弛放氣和煤氣化的混合物等,為了有效利用能源,采用膜分離技術(shù)回收氫氣具有重要的應(yīng)用價(jià)值。萬思青[4]等制得的高氫選擇性炭分子篩膜,H2/CH4分離因子達(dá)到951,H2/N2分離因子為380,氫氣滲透速率達(dá)到1.64×10-8mol/(m2·s·Pa)。Huang等[5]在多孔氧化鋁載體上,以氨丙基三乙氧基硅烷為共價(jià)鍵連接劑,水熱合成了LTA型分子篩薄膜,厚度約為3.5μm。該膜具有良好的分子篩分性能。在293K時(shí),對(duì)二元混合物H2/CH4,H2/N2,H2/O2和H2/CO2的分離因子分別為3.6、4.2、4.4和5.5,高于努森擴(kuò)散系數(shù),H2的滲透通量為3.0×10-7mol/(s·m2·Pa),可以很好的用于氫氣的分離。

1.4 膜反應(yīng)器

膜反應(yīng)器是一種集催化反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)于一體的多功能膜反應(yīng)裝置?？梢詫⒎磻?yīng)產(chǎn)物的一部分或全部從反應(yīng)區(qū)取出,打破熱力學(xué)平衡的限制,提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。膜反應(yīng)器是膜和化學(xué)反應(yīng)或生物反應(yīng)相結(jié)合的系統(tǒng)或設(shè)備。膜反應(yīng)器使得反應(yīng)與分離在高溫下同時(shí)進(jìn)行成為可能,可實(shí)現(xiàn)高收率、高純度化學(xué)產(chǎn)品的制備。炭材料在450℃以上仍然具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,大多數(shù)工業(yè)相關(guān)的反應(yīng)溫度都處在這個(gè)溫度左右,因此多孔炭分子篩膜在這方面具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 多孔炭分子篩膜的展望

多孔炭分子篩膜作為一種新型、高效、節(jié)能的分離膜材料,很有發(fā)展前景。但目前普遍存在的問題是多孔炭分子篩膜的分離因數(shù)和分離選擇性并不能同時(shí)達(dá)到預(yù)想的效果,如何得到分離選擇性好而且分離產(chǎn)率高的多孔炭分子篩膜將是今后多孔炭分子篩膜制備研究的重點(diǎn)。隨著不斷深入和細(xì)致的研究,相信在不遠(yuǎn)的將來,多孔炭分子篩膜的分離性能會(huì)不斷地提高與完善。

[1]魏微,胡浩權(quán),秦國彤,等.炭膜處理印染廢水的影響因素[J].水處理技術(shù),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]萬思青,秦國彤,魏微.高氫選擇性分子篩炭膜的制備[J].膜科學(xué)與技術(shù),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.