分子篩膜分離技術的研究進展
1. 分子篩概述
分子篩是具有規整孔道結構的微孔晶體材料。自1756年首次發現天然分子篩Stilbite后，已確定結構的分子篩有114種。分子篩已廣泛地應用于吸附、離子交換、催化等領域。分子篩的物理性質(如孔徑、孔容、孔的形狀、硅鋁比、酸性等)決定其性能。構成分子篩的骨架元素是硅、鋁及配位的氧原子。其中的鋁或硅可以用磷、鎵、鐵、鈦等元素取代形成雜原子型分子篩。分子篩這種骨架元素可取代的特性也預示著對分子篩的改性是豐富多樣的。硅鋁分子篩骨架的最基本單位是硅氧四面體和鋁氧四面體。當分子篩由硅氧四面體組成時，其骨架呈電中性。此時的分子篩表現為疏水性。當有鋁氧四面體時，其骨架就呈負電性。隨著硅鋁比的減小，其親水性增強。
2. 分子篩膜分離有機物/水的研究和應用
Silicalite沸石膜中不含有Al,具有憎水、親有機物的性質,可在水的存在下選擇吸附有機分子。特別對于乙醇-水混合物,Silicalite沸石膜對乙醇具有高的選擇性,為無水乙醇的制備提供了可靠的理論依據。T.Sano等用Silicalite沸石膜研究乙醇-水體系的分離，乙醇-水的分離因子達58。A.Ishikawa等在多孔玻璃上制備孔徑為0.3～0.5 nm的Silicalite沸石膜,用于醇類的氣相脫水，其分離因子高達500以上，50%的乙醇水溶液滲透側水的質量分數高達99%以上。R.E.Dolle發現利用Silicalite沸石膜從水中分離甲醇、乙醇、丙酮、丁酮，在303～323 K范圍內,甲醇、乙醇、丙酮和丁酮最大的分離因子分別為16、43、255和146，通量為0.15~1.3 kg/(m·2h)。A.Ishikawa等用合成的NaA分子篩膜研究了水-乙醇、水-丁醇的分離,在352～362 K時,分離因子達到2499和1633,通量分別為0.1、0.719kg/(m·2h)。黃愛生等采用抽空涂晶二次生長法合成的A型分子篩膜有很好的滲透汽化性能，m(C3H8O)/m(H2O)=95∶5混合物在323 K和343 K時的分離系數都超過10 000，滲透量分別為1.27 kg/(m2·h)和1.74kg/(m2·h),具有很好的工業應用前景。
1983年第一套工業PV裝置采用的是有機膜，與20世紀90年代初研究開發的NaA型分子篩膜相比，有機膜的通量小，化學穩定性和熱穩定性較差，但膜組件的價格比較低。然而NaA型分子篩膜的高通量、較長的使用壽命會大大降低它的滲透汽化操作成本，補償其較高的膜組件成本，采用Na型分子篩膜的滲透汽化操作成本僅為PVA膜操作成本的1/2，所以NaA型分子篩膜具有更廣闊的工業應用前景。1999年，日本首次將大型NaA型分子篩膜PV裝置推向市場。這套裝置由16套膜組件組成,每套膜組件有125根膜管(膜管外徑12 mm,長80 cm,平均孔徑1μm),該裝置在393 K下滲透汽化分離質量分數為90%的乙醇/水混合物，處理量為480 kg/h，分離后殘留水質量分數小于0.2%，乙醇回收率96%。目前性能最好的NaA分子篩膜用于水/乙醇體系(水質量分數10%，操作溫度75℃)，滲透汽化分離時，其通量達到2.2 kg/(m·2h)，分離因子超過10 000。
在工業上采用NaA型分子篩膜回收異丙醇也已有成功先例,如日本的一套用于鏡片廠回收異丙醇的雙管程NaA型分子篩膜組件，由24根膜管組成，膜長80 cm，膜面積0.72 m，393 K下每小時可處理10 L質量分數88.6%的異丙醇-水混合物，產物含水質量分數低于0.5%。從1999年到現在，日本在幾年時間內已有60多套NaA型分子篩膜PV裝置在化工、半導體、食品等領域投入工業生產中，Na型分子篩膜材料幾乎取代了有機滲透汽化膜材料。
3. 展望
分子篩膜在液相組分的分離上已經取得了很好的效果，用于液相中水-醇分離的A型分子篩膜顯示出很強的水處理能力。經過各國研究人員多年來的努力，沸石分子篩膜正逐步從實驗室研究走向實際工業應用。1999年,日本把NaA分子篩膜推向市場，用于水-異丙醇和水-乙醇體系的脫水，首次實現了沸石分子篩膜大型組件裝置的工業化應用。然而大規模的工業應用還有待于膜技術的進一步提高。目前我國在分子篩膜應用技術方面明顯落后制備技術和組裝技術都無法實現工業化應用，至今未見分子篩膜處理有機廢水的工業應用的報道。
今后努力的方向包括:
(1)能大規模、穩定地合成出無缺陷、厚度薄的分子篩膜;
(2)尋求廉價的多孔載體以降低分子篩膜的制造成本；
(3)提高分子篩膜的滲透速率和選擇性；
(4)解決膜組件之間的連結密封性，加強工程設計。因此,建議國內研究機構和工程院所聯合攻關，打破國外技術壟斷，早日實現；分子篩膜分離技術的國產化應用。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
