三氟丙基修饰SiO_2膜的氢气分离与水煤气变换反应研究

【摘要】：微孔SiO_2膜气体渗透率高，分离效果好，具有较高机械强度、高温稳定性好及化学稳定性好等优异性能，在涉及高温和腐蚀性气体的分离过程中具有其它膜材料无可替代的优越性。但纯SiO_2膜具有强亲水性，微孔结构在湿热环境下容易受到破坏，通过溶胶-凝胶法将疏水基团修饰到膜材料的表面，增强膜材料的疏水性，从而获得水热稳定性良好的微孔SiO_2膜成为当前无机膜科学研究的热点。 本课题以三氟丙基三甲氧基硅烷(TFPTMS)和正硅酸乙酯(TEOS)作为前驱体，在酸性条件下进行水解缩聚反应得到三氟丙基修饰的SiO_2溶胶。利用dip-coating技术，在洁净环境下将修饰后的溶胶涂覆到γ-Al_2O_3/α-Al_2O_3多孔陶瓷载体上。应用扫描电镜(SEM)、N_2吸附、光学接触角测量仪、红外光谱(FT-IR)、29Si固体核磁共振(29Si MAS NMR)以及热重分析(TG)等测试手段表征膜材料的形貌、孔结构和疏水性能，并在自制的气体渗透装置上研究H_2、CO、CO_2和SF_6在膜材料中的输运和分离行为。最后以该膜为核心材料组装膜反应器，采用Cu/ZnO/Al_2O_3为催化剂，研究膜材料在水煤气变换膜反应器中所起的作用。 实验结果表明，三氟丙基的修饰对SiO_2膜的孔结构没有产生太大影响，膜材料仍然保持微孔结构，孔径集中分布在0.45-0.7nm之间；接触角测量结果表明修饰后SiO_2膜表现出良好的疏水性能，且膜材料的疏水性随TFPTMS添加量的增加而增强，当nTFPTMS/nTEOS=0.6时膜材料对水的接触角增大到102.7±0.4o。FT-IR和NMR结果证明三氟丙基成功修饰到膜表面，修饰后的膜材料表面羟基浓度从10.3mmol·g~(-1)减少到5.06mmol·g~(-1)，三氟丙基的浓度达到3.42mmol·g~(-1)，三氟丙基的成功修饰以及表面羟基浓度的降低是膜材料疏水性提高的主要原因。修饰后的膜材料放在潮湿环境下陈化30天，孔结构几乎没有发生改变，依然保持良好的微孔结构，表明修饰后的膜材料具有优异的水热稳定性。 氢气在有支撑(0.6TFPTMS)SiO_2膜的输运遵循微孔扩散机制，随温度的升高，H_2的渗透率不断增大，在300℃时达到4.77×10~(-7)mol·m~(-2)·s~(-1)·Pa~(-1)，H_2/CO_2的理想分离系数为6.99，双组份混合气体分离系数为6.93，均大于Knudsen扩散因子。膜材料在200℃，水蒸气摩尔含量为5%的水热环境中具有良好的稳定性，能够连续工作220h以上。 水煤气变换反应在自组装的膜反应器中进行，(0.6TFPTMS)SiO_2膜作为分离膜。结果表明，随着温度的增加和H_2O/CO比例的增加，CO转化率增加，且均大于固定床反应的转化率。随渗透端吹扫气的增加，H_2在两端的分压差增加，渗透驱动力增大，相应渗透量增加，从而促进膜反应器中CO向H_2转化，提高CO转化率。 【关键词】：微孔二氧化硅膜 水热稳定性 氢气分离 水煤气变换 膜反应器
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 研究现状10-16
• 1.2.1 氢气制备与分离技术的研究10-12
• 1.2.2 微孔二氧化硅膜的研究现状12-15
• 1.2.3 用于水煤气变换制氢的膜反应器研究15-16
• 1.3 本论文研究目的16-17
• 1.4 本论文的研究内容17-20
• 第2章 三氟丙基修饰的微孔 SiO_2膜的制备与表征20-36
• 2.1 引言20
• 2.2 实验20-23
• 2.2.1 化学试剂20
• 2.2.2 α-Al_2O_3多孔陶瓷和γ-Al_2O_3过渡层的制备20-21
• 2.2.3 微孔 SiO_2膜的制备21-23
• 2.2.4 表征方法及手段23
• 2.3 结果与讨论23-34
• 2.3.1 有支撑 SiO_2膜 SEM 形貌23-24
• 2.3.2 膜材料孔结构分析24-27
• 2.3.3 SiO_2膜的疏水性能研究27-30
• 2.3.4 静态水热稳定性能研究30-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第3章 疏水微孔 SiO_2膜的氢气分离和动态水热稳定性研究36-54
• 3.1 引言36
• 3.2 气体在多孔材料中的输运机理36-39
• 3.2.1 Knudsen 扩散37
• 3.2.2 表面扩散37-38
• 3.2.3 多层扩散与毛细管凝聚38-39
• 3.2.4 分子筛分效应39
• 3.3 气体分离原理39-40
• 3.4 气体渗透性测试方法40-42
• 3.4.1 恒体积变压力法40-42
• 3.4.2 恒压力变体积法42
• 3.5 实验42-46
• 3.5.1 样品制备42-43
• 3.5.2 单组份气体渗透实验43-44
• 3.5.3 双组份气体分离实验44-46
• 3.5.4 水热稳定性实验46
• 3.6 结果与讨论46-52
• 3.6.1 气体渗透与分离性能研究46-51
• 3.6.2 动态水热稳定性研究51-52
• 3.7 本章小结52-54
• 第4章 疏水微孔 SiO_2膜在水煤气变换反应中的作用54-64
• 4.1 引言54
• 4.2 膜反应器原理54-55
• 4.3 水煤气变换反应的测量55-58
• 4.4 实验58-61
• 4.4.1 样品制备58
• 4.4.2 水煤气变换实验58-61
• 4.5 结果与讨论61-63
• 4.5.1 H_2O/CO 摩尔比对 CO 转化率的影响61
• 4.5.2 温度对 CO 转化率的影响61-62
• 4.5.3 吹扫气对膜反应器中 CO 转化率的影响62-63
• 4.6 本章小结63-64
• 结论64-66
• 参考文献66-72
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文72-74
• 致谢74

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