郝阿輝，劉曉紅，劉秀鳳，張寶泉

（化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350）

微波輔助二次生長法合成SAPO-34分子篩膜與關(guān)鍵影響因素

郝阿輝，劉曉紅，劉秀鳳，張寶泉

（化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350）

采用微波輔助二次生長法在α-Al2O3載體上合成了SAPO-34分子篩膜，并將其應(yīng)用于CO2/CH4分離。通過掃描電鏡、X射線衍射和傅里葉變換紅外光譜等表征方法，系統(tǒng)考察了加熱方式、晶種粒徑、老化時間和晶化時間對SAPO-34分子篩膜表面形貌和結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以0.4 μm分子篩作為晶種，在老化24 h，然后微波加熱晶化4 h后可制備出厚度約為1.5 μm的致密、無缺陷SAPO-34分子篩膜，其平均CO2/CH4分離因子和CO2滲透率分別達(dá)到81和6.6×10-7mol·m-2·s-1·Pa-1，制備方法可靠，重復(fù)性高。

天然氣；SAPO-34分子篩膜；微波輔助加熱；CO2/CH4分離

引 言

天然氣作為三大化石燃料之一，其熱值高于煤炭和石油，是一種非常優(yōu)質(zhì)的清潔能源。天然氣中存在的CO2雜質(zhì)不但會降低其熱值，而且遇水產(chǎn)生的酸性組分會腐蝕運(yùn)輸和存儲設(shè)備[1]。天然氣的主要成分為甲烷（CH4），將CO2從CH4中分離是天然氣處理的一個關(guān)鍵步驟。氨吸附法是常用的CO2分離方法[2]，但是能耗高、設(shè)備昂貴且操作過程復(fù)雜，而分子篩膜分離作為一項(xiàng)新興的高效分離技術(shù)越來越受到人們的重視[3-5]。

分子篩膜因其規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)、良好的熱穩(wěn)定性和較高的機(jī)械強(qiáng)度而被廣泛應(yīng)用于催化[6-8]、分離[9-12]、化學(xué)傳感器[13-14]和防腐涂層[15-16]等領(lǐng)域。SAPO-34分子篩是一種具有典型CHA型結(jié)構(gòu)的磷酸硅鋁分子篩，其孔徑尺寸約為0.38 nm[17-18]。

目前SAPO-34分子篩膜的合成方法主要包括原位水熱合成法[19-20]、二次生長法[12,18,21]和氣相轉(zhuǎn)化合成法[22]等。根據(jù)加熱方式的不同，可以分為傳統(tǒng)加熱方式[9,21,23-26]和微波加熱方式[5,27-30]。傳統(tǒng)加熱方式應(yīng)用最為廣泛，屬于接觸式加熱，加熱過程中存在的空間溫度梯度會使膜層本身受熱不均勻，也易出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。采用傳統(tǒng)加熱方式需要的合成時間長，獲得的分子篩膜通常比較厚。微波加熱是一種新興的分子篩膜合成方法，屬于非接觸式加熱，因其具有加熱速率快、溫度分布均勻等特點(diǎn)而越來越受到關(guān)注。先期研究結(jié)果表明，采用微波輔助二次生長法可以合成出致密、連續(xù)的SAPO-34分子篩膜[28]。在此基礎(chǔ)上，本文對微波輔助二次生長法合成SAPO-34分子篩膜的關(guān)鍵影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的探究，詳細(xì)比較了傳統(tǒng)加熱方式與微波加熱方式在合成SAPO-34分子篩膜過程中的優(yōu)劣，并討論微波加熱條件下，晶種粒徑、老化時間和晶化時間等因素對SAPO-34分子篩膜形貌、結(jié)構(gòu)和性能的影響，提出可靠制備SAPO-34分子篩膜的關(guān)鍵影響因素與優(yōu)化條件。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與材料

使用的試劑包括異丙醇鋁（AIP，98%，Sigma-Aldrich）、磷酸（H3PO4，85%，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠）、氣相二氧化硅（fumed silica，Degussa）、四乙基氫氧化銨（TEAOH，25%，上海才銳化工科技有限公司）、二-正丙胺（DPA，99%，天津市百世化工有限公司）、實(shí)驗(yàn)室自制的α-Al2O3載體，厚度約為2 mm，直徑為20 mm，平均孔徑為320 nm，孔隙率45%。去離子水由UPR-Ⅱ-10T型純水機(jī)制得，電導(dǎo)率為18.25 MΩ·cm（在線檢測）。

1.2 SAPO-34分子篩及分子篩膜的制備

分別以異丙醇鋁、氣相二氧化硅和磷酸為鋁源、硅源、磷源，以四乙基氫氧化銨為模板劑，并使用二-正丙胺作為助劑。SAPO-34合成液配比為1Al2O3:1P2O5:0.3SiO2:1.2TEAOH:0.5DPA:52H2O，在48℃下老化72 h。1 μm晶種采用傳統(tǒng)水熱法在220℃條件下晶化24 h得到；0.4 μm晶種則在微波加熱（180℃）條件下晶化4 h得到。得到的分子篩顆粒用去離子水反復(fù)洗滌至中性后烘干備用。將一定量SAPO-34分子篩添加至乙醇溶液中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的晶種液，然后反復(fù)超聲攪拌，直至晶種分散均勻。采用旋涂法在多孔α-Al2O3載體表面制備晶種層，置于60℃烘箱烘干待用[28]。制備SAPO-34分子篩膜的二次合成液配比為1Al2O3:1P2O5:0.3SiO2:1TEAOH:1.6DPA:77H2O，所得合成液在48℃下老化24～72 h。將旋涂好晶種層的載體水平放入反應(yīng)釜中，在反應(yīng)釜中倒入一定量老化后的合成液，然后180℃微波加熱條件下晶化2～4 h，或者220℃?zhèn)鹘y(tǒng)加熱條件下晶化24 h。反應(yīng)得到的分子篩膜用去離子水沖洗15 min，然后放入60℃烘箱中烘干即可。

制得的SAPO-34分子篩膜的骨架孔道中存在大量的模板劑，在氣體分離應(yīng)用前，將分子篩膜置于空氣氣氛中于390℃焙燒10 h，以除去模板劑。

1.3 分析測試儀器

采用Philips公司的XL30ESEM掃描電子顯微鏡觀測SAPO-34分子篩膜的形貌，工作電壓一般選擇20 kV。利用日本Rigaku生產(chǎn)的D/max 2500v/pc型的X射線衍射儀表征SAPO-34分子篩膜的結(jié)構(gòu)，輻射為Cu/Kα，工作電壓選擇40 kV，工作電流選擇200 mA，掃描范圍設(shè)定2θ= 5°～90°。SAPO-34分子篩膜以及有機(jī)模板劑的骨架結(jié)構(gòu)信息通過美國Thermo Sicentific公司生產(chǎn)的Nicolet 6700型的傅里葉變換紅外光譜儀獲得。

1.4 氣體分離表征

脫除模板劑后的SAPO-34分子篩膜分離性能的檢測使用的是實(shí)驗(yàn)室自制的雙組分氣體分離裝置。將脫除模板劑的分子篩膜密封在自制的不銹鋼膜組件中，分子篩膜層朝向進(jìn)料側(cè)氣體，進(jìn)料是由體積摩爾比為50:50的CO2/CH4混合氣體組成的，后端滲透側(cè)使用N2作為吹掃氣，進(jìn)料端和滲透端氣體直接使用氣相色譜在線測定其組成，通過皂膜流量計(jì)測定滲透端氣體的流量。CO2滲透率P和分離因子α通過式（1）、式（2）計(jì)算

式中，Ji表示組分i的滲透通量，mol·m-2·s-1；Pf表示膜進(jìn)料端壓力，Pa；Pp表示膜滲透端壓力，Pa；xf,i、xf,j表示膜進(jìn)料端組分i、j的摩爾分?jǐn)?shù)；xp,i、xp,j表示膜滲透端進(jìn)料百分比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 加熱方式對SAPO-34分子篩膜的影響

圖1為利用不同加熱方式合成的SAPO-34分子篩膜的SEM圖，其中圖1(a)為老化24 h，傳統(tǒng)水熱220℃條件下晶化24 h得到的SAPO-34分子篩膜，圖1(b)為老化24 h，微波加熱180℃條件下晶化4 h得到的SAPO-34分子篩膜。從圖中可以看出，傳統(tǒng)加熱條件下合成的SAPO-34分子篩膜表面顆粒之間團(tuán)簇現(xiàn)象較為明顯，而運(yùn)用微波加熱所得的分子篩膜交聯(lián)度更好，表面顆粒之間沒有團(tuán)簇現(xiàn)象發(fā)生且大小更為均勻。根據(jù)斷面電鏡圖可知，通過傳統(tǒng)水熱合成的分子篩膜厚度約為5 μm，而微波加熱所得的分子篩膜厚度大約為1.5 μm。

圖1 不同加熱方式下合成的SAPO-34分子篩膜SEM圖Fig.1 SEM images of SAPO-34 zeolite membranes synthesized with different heating methods

圖2是傳統(tǒng)加熱和微波加熱條件下合成的SAPO-34分子篩膜以及α-Al2O3載體的XRD譜圖，兩種加熱方式合成的SAPO-34膜均具有典型的CHA骨架結(jié)構(gòu)。對比SAPO-34分子篩膜晶相特征峰強(qiáng)度與α-Al2O3載體特征峰強(qiáng)度可知，微波加熱方式合成的分子篩膜更薄，與掃描電鏡結(jié)果一致。

圖2 不同加熱方式下合成的SAPO-34分子篩膜XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of SAPO-34 zeolite membranes synthesized with different heating methods

需要指出的是，傳統(tǒng)加熱晶化時間為24 h，而微波加熱僅需4 h，晶化時間大幅度減少。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)加熱方式主要是通過熱傳導(dǎo)加熱，升溫速率緩慢，經(jīng)過2 h的加熱釜內(nèi)合成液的溫度尚不能達(dá)到晶化溫度（220℃），實(shí)際晶化時間遠(yuǎn)小于高溫操作時間。而采用微波加熱的方式可以迅速達(dá)到晶化溫度（180℃），很大程度上縮短了晶化時間。

表1為不同壓差下，微波加熱和傳統(tǒng)水熱所合成的SAPO-34分子篩膜氣體分離性能對比。從表中可以看出，同一壓差下，微波加熱合成的SAPO-34分子篩膜的CO2滲透率和分離因子均較高。造成上述現(xiàn)象的原因有兩個，一是兩種加熱條件下所得分子篩膜薄厚的差異，二是傳統(tǒng)加熱合成的分子篩膜內(nèi)部存在較多的結(jié)構(gòu)缺陷。

表1 不同加熱方式合成的SAPO-34分子篩膜CO2/CH4分離性能比較Table 1 CO2/CH4separation performances of SAPO-34 membranes synthesized with different heating methods

2.2 晶種粒徑對SAPO-34分子篩膜的影響

圖3、圖4為老化24 h、微波加熱4 h條件下利用不同粒徑晶種制備的晶種層以及SAPO-34分子篩膜的SEM圖。從圖中可以看出，1 μm和0.4 μm顆粒經(jīng)過旋涂后均可以覆蓋載體表面，但1 μm顆粒制備的晶種層表面并不平整。通過對比分子篩膜正面和斷面電鏡圖，發(fā)現(xiàn)晶種粒徑為1 μm時所得分子篩膜表面有顆粒堆積現(xiàn)象且有無定形物質(zhì)存在，分子篩膜交聯(lián)度較低，有較明顯的缺陷，膜厚約為3 μm。而以0.4 μm顆粒作為晶種合成的分子篩膜交聯(lián)很好，膜表面沒有明顯的裂痕、針孔和其他大孔缺陷存在，膜厚度約為1.5 μm。這是因?yàn)榫ХN尺寸越小，粒徑分布越窄，在成膜時晶體堆積就更為緊密，從而晶體之間需要生長的區(qū)域就越小，因此合成的SAPO-34分子篩膜更薄。

圖3 1 μm粒徑晶種所得SAPO-34分子篩膜的SEM圖Fig.3 SEM images of SAPO-34 membranes synthesized with 1 μm-sized seed grains

圖4 0.4 μm粒徑晶種所得SAPO-34分子篩膜的SEM圖Fig.4 SEM images of SAPO-34 membranes synthesized with 0.4 μm-sized seed grains

2.3 老化時間對SAPO-34分子篩膜的影響

圖5為微波加熱條件下不同老化時間合成的SAPO-34分子篩膜的電鏡圖，實(shí)驗(yàn)均以0.4 μm分子篩作為晶種，晶化時間為4 h。從圖中可以看出當(dāng)老化時間為24 h時合成的SAPO-34分子篩膜交聯(lián)良好而且膜表面沒有無定形物質(zhì)存在，膜厚度大約為1.5 μm。隨著老化時間的延長，分子篩膜表面形貌與交聯(lián)度越來越差而且有較明顯的缺陷，當(dāng)老化時間為72 h時，膜表面大量分子篩顆粒堆積。老化36、72 h合成的SAPO-34分子篩膜均未能通過完備性檢測。

圖5 不同老化時間合成的SAPO-34分子篩膜的SEM圖Fig.5 SEM images of SAPO-34 membranes synthesized with different aging time

圖6為不同老化時間合成的SAPO-34分子篩膜的紅外光譜圖。3009、2991 cm-1處為分子篩膜中有機(jī)模板劑的—CH2和—CH3基團(tuán)的伸縮振動引起的特征峰，1481、1398 cm-1處為—CH2和—CH3基團(tuán)的彎曲振動引起的特征峰。從圖中可以看出隨著老化時間的增加，所得分子篩膜中有機(jī)模板劑的特征峰逐漸減弱。因?yàn)槔匣瘯r間的延長有助于合成液內(nèi)部形成晶核，而膜表面晶種的生長與合成液內(nèi)部晶核的生長屬于競爭關(guān)系，所以過長的老化時間不利于分子篩膜表面晶種的生長，進(jìn)而影響分子篩膜的表面形貌與致密程度。

圖6 不同老化時間合成的SAPO-34分子篩膜紅外光譜圖Fig.6 FT-IR spectra of SAPO-34 zeolite membranes synthesized with different aging time

2.4 晶化時間對SAPO-34分子篩膜的影響

圖7為以0.4 μm分子篩為晶種，老化24 h，微波加熱條件不同晶化時間合成的SAPO-34分子篩膜的電鏡圖。從正面電鏡圖看，合成時間為2、3、4 h時，載體表面均能被交錯生長的SAPO-34晶體所覆蓋，但是從斷面圖中明顯看出晶化時間為2 h和3 h時，膜層有針孔等缺陷存在，當(dāng)合成時間延長至4 h后，分子篩膜交聯(lián)度更為良好，得到了致密、無缺陷的SAPO-34分子篩膜。晶化2、3 h合成的SAPO-34分子篩膜均未能通過完備性檢測。

圖8為不同晶化時間合成的SAPO-34分子篩膜的紅外光譜圖。圖中3009、2991 cm-1處的特征峰是有機(jī)模板劑的—CH2和—CH3基團(tuán)的伸縮振動引起的，1481、1398 cm-1處的特征峰是—CH2和—CH3基團(tuán)的彎曲振動引起的。由圖可知，晶化2 h得到的SAPO-34分子篩膜中有機(jī)模板劑和分子篩骨架的特征峰均比晶化時間為3、4 h的特征峰強(qiáng)度弱。晶化時間為3 h和4 h得到的紅外光譜圖中各個特征峰強(qiáng)度均相當(dāng)，但結(jié)合掃描電鏡圖的分析可得，晶化4 h可得到更為致密連續(xù)的SAPO-34分子篩膜。

圖7 不同晶化時間合成的SAPO-34分子篩膜的SEM圖Fig.7 SEM images of SAPO-34 membranes prepared under different synthesis time

圖8 不同晶化時間合成的SAPO-34分子篩膜紅外光譜圖Fig.8 FT-IR spectra of SAPO-34 membranes prepared under different synthesis time

2.5 CO2/CH4分離性能

表2中M1、M2、M3均是以0.4 μm顆粒為晶種，老化24 h，在微波加熱作用下晶化4 h得到的SAPO-34分子篩膜。從表2中可以看出，在溫度為303 K、壓差為138 kPa時，SAPO-34分子篩膜的CO2/CH4平均分離因子為81，平均滲透率為6.6×10-7mol·m-2·s-1·Pa-1。需要指出的是，提高制備過程的重復(fù)性，獲得性能穩(wěn)定的分子篩膜是其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。本文在調(diào)控上述各影響因素后獲得的SAPO-34分子篩膜性能穩(wěn)定，不同批次合成的分子篩膜分離性能差異較小。如果以膜通量和選擇性相差在10%以內(nèi)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，重復(fù)率在60%左右，說明在此優(yōu)化條件下合成SAPO-34分子篩膜具有很好的重復(fù)性。

圖9為M1樣品的CO2滲透率和CO2/CH4分離因子隨壓差變化趨勢。由圖可知，兩者均隨著壓差的增大而減小。在CO2/CH4分離過程中，CO2優(yōu)先吸附，在壓力較低的情況下已經(jīng)接近吸附飽和，即CO2吸附量不隨壓力的變化線性增加，所以隨著壓差的增大，CO2滲透率和CO2/CH4分離因子逐漸減小。

表2 SAPO-34分子篩膜CO2/CH4分離性能Table 2 CO2/CH4separation performances of SAPO-34 membranes

圖9 M1膜CO2滲透率和CO2/CH4分離因子隨壓差變化Fig.9 CO2permeance and selectivity of CO2/CH4gas mixture(50:50) at 298 K as a function of pressure drop for SAPO-34 membrane M1

3 結(jié) 論

（1）系統(tǒng)考察了加熱方式、晶種粒徑、老化時間和晶化時間對SAPO-34分子篩膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用微波加熱晶化可以大大縮短晶化時間，制備的SAPO-34分子篩膜均勻致密、結(jié)晶度高，膜層厚度可減小到1.5 μm左右，對CO2/CH4混合氣體的分離性能明顯提高；使用小顆粒的SAPO-34制備晶種層，可以降低晶種層厚度，同時有利于提高二次生長后SAPO-34分子篩膜的致密性，減少缺陷的形成；合成液的老化時間對成膜有明顯影響，老化時間過長有助于合成液內(nèi)部晶核的形成，但對二次生長過程不利，在本實(shí)驗(yàn)條件下適宜的老化時間為24 h；通常晶化時間影響合成的分子篩膜質(zhì)量，在微波加熱條件下情況更是如此，本實(shí)驗(yàn)條件下的適宜晶化時間為4 h。

（2）采用微波加熱的方式，以0.4 μm小顆粒分子篩為晶種，老化24 h，并在180℃條件下晶化4 h可制備出致密、無缺陷的SAPO-34分子篩膜，產(chǎn)出的膜質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性好。SEM和XRD分析結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)加熱方式，微波加熱條件下合成的SAPO-34分子篩膜更薄，而且晶化速率更快，晶化時間從傳統(tǒng)水熱合成的24 h減少至4 h。

（3）合成的SAPO-34分子篩膜性能穩(wěn)定，其CO2滲透率和CO2/CH4分離因子隨壓差的增加而減小。在優(yōu)化條件下合成的SAPO-34分子篩膜CO2/CH4平均分離因子為81，平均滲透率為6.6×10-7mol·m-2·s-1·Pa-1。

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Synthesis of SAPO-34 membranes and critical influence factors in microwave-assisted secondary growth

HAO Ahui, LIU Xiaohong, LIU Xiufeng, ZHANG Baoquan
(State Key Laboratory of Chemical Engineering,School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin300350,China)

SAPO-34 membranes for separation of CO2/CH4gas mixture were fabricated on porous α-Al2O3substrates by seeded growth under microwave irradiation. Effects of synthesis conditions, including heating mode, seed size, aging and synthesis time, on membrane morphology and structure were investigated in order to manufacture dense and thin SAPO-34 membranes. Scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) were used to characterize SAPO-34 membranes. 1.5 μm-thick defect-free SAPO-34 membrane could be obtained with high reproducibility at condition of 0.4 μm-sized seed, 24 h aging, and 4 h microwave heating. The new membrane demonstrated an average CO2/CH4separation selectivity at 81 and high CO2permeability at 6.6×10-7mol·m-2·s-1·Pa-1.

natural gas; SAPO-34 membrane; microwave-assisted heating; CO2/CH4separation

LIU Xiufeng, xfliu@tju.edu.cn

TQ 028.8

：A

：0438—1157（2017）02—0716—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160926

2016-07-04收到初稿，2016-11-23收到修改稿。

聯(lián)系人：劉秀鳳。

：郝阿輝（1993—），女，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21476171）。

Received date: 2016-07-04.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (21476171).