苯基修飾的二氧化硅膜的制備及氫氣分離研究.pdf

1、微孔SiO2膜具有較高機械強度、高溫穩(wěn)定性好、能耐各種酸堿性介質(zhì)的腐蝕等,在涉及到高溫和腐蝕性氣體的分離過程中具有其它膜材料無可替代的優(yōu)越性。但因為SiO2膜具有強的親水性,不能在濕熱環(huán)境下使用,通過表面改性制備水熱穩(wěn)定性良好的微孔SiO2膜是當前的研究方向。
　　 本論文主要采用含有疏水基團苯基的硅烷前驅(qū)體苯基三乙氧基硅烷(PTES)與正硅酸乙酯(TEOS)在酸性條件下進行共水解縮聚反應(yīng),通過調(diào)節(jié)修飾基團的添加量以及水的加入量

2、制備苯基修飾的SiO2溶膠,在潔凈室條件下利用dip-coating技術(shù),將修飾后的溶膠涂覆到γ-Al2O3/α-Al2O3多孔陶瓷載體上,得到以γ-Al2O3/α-Al2O3為支撐體的微孔SiO2膜。應(yīng)用原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)、紅外光譜(FT-IR)、N2吸附、光學接觸角測量儀、核磁共振(NMR)以及熱重分析(TG)等測試手段表征載體以及膜材料的形貌、孔結(jié)構(gòu)和疏水性能,探討苯基修飾的微孔SiO2膜疏水機理,并在自制

3、的氣體滲透裝置上,研究了H2和CO2在疏水微孔SiO2膜中的輸運和分離行為。
　　 實驗結(jié)果表明,α-Al2O3多孔陶瓷的孔徑在62nm左右,孔隙率達到39％,符合氣體滲透的要求;苯基修飾對SiO2膜的孔結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生太大影響,膜材料依然為典型的微孔結(jié)構(gòu),孔徑分布在0.4-0.5nm之間,分布狹窄;接觸角測量結(jié)果顯示修飾后SiO2膜表現(xiàn)出良好的疏水性能,并且材料的疏水性隨著PTES添加量的增加而增強,且n(PTES)/n(TEOS

4、)=0.6時膜材料對水的接觸角增大到115+0.5°。FT-IR結(jié)果證明隨著PTES加入量的增大,SiO2膜的Si-OH吸收峰明顯逐漸減弱,苯基吸收峰逐漸增強,而且出現(xiàn)單取代吸收峰,表明苯基基團成功修飾到膜材料表面;NMR結(jié)果證明修飾后樣品表面存在Si-C6H5基團,濃度達到4.64mmol/g,而表面羥基的濃度從8.87mmol/g下降到5.84mmol/g。將修飾前后的膜材料置于潮濕環(huán)境下陳化30d,發(fā)現(xiàn)修飾后膜材料的孔結(jié)構(gòu)幾乎沒有

5、發(fā)生改變,保持了良好的微孔結(jié)構(gòu),而未修飾的膜材料孔結(jié)構(gòu)由典型微孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻榭捉Y(jié)構(gòu),表明修飾后的膜材料具有較好的水熱穩(wěn)定性。
　　 在室溫、膜兩端壓差為0.1MPa的條件下,通過自制的氣體分離裝置對氣體滲透性能進行測試。結(jié)果表明氫氣在修飾后SiO2膜的輸運既遵循發(fā)生在微孔孔道的表面擴散機理也遵循發(fā)生在較大孔道或者微缺陷的努森擴散機理,膜材料的H2滲透率達到1.49×10-6mol·m-2·pa-1·s-1,H2/CO2和H2/S