水蒸气条件下稳定的微孔Nb2O5气体分离膜制备的基础研究

针对微孔SiO2膜在水煤气变换反应中H2/CO2的分离选择性和渗透通量低、水蒸气条件下稳定性差的现状，提出通过优化微孔气体分离膜载体结构提高膜渗透通量，选择对CO2具有较高吸附能力的铌醇盐为前驱体制备微孔Nb2O5膜以提高H2/CO2分离选择性和水热稳定性的新思路。采用悬浮液真空抽吸法一步制备具有规整梯度孔结构的气体分离膜载体，以聚合溶胶路线制备微孔Nb2O5膜，采用椭圆偏振仪实时监测成膜过程中缺陷的产生和形成机理。探究氧化铝原料的粒径分布与完整、无缺陷的气体分离膜载体结构和性能(机械强度、渗透性能和表面粗糙度)的关系，阐明五正丁氧基铌水解和聚合过程参数与溶胶尺度以及微孔Nb2O5膜微结构之间的关系，揭示微孔Nb2O5膜高效分离H2/CO2的机理以及在水蒸气条件下的稳定机理。对高温水蒸气条件下脱氢反应中H2/CO2的高效分离，提高反应效率具有重要意义。

针对微孔SiO2膜在水煤气变换反应中H2渗透通量低、水蒸气条件下稳定性差的问题，提出通过优化微孔气体分离膜载体结构提高膜的H2渗透通量，以铌醇盐(五正丁氧基铌，Niobium penta(n)butoxide，NPB)和倍半硅氧烷(1,2-二(三乙氧基硅基)乙烷，1,2-bis(triethoxysilyl)ethane，BTESE)为前驱体，通过聚合溶胶路线分别制备微孔Nb2O5膜和有机无机复合微孔SiO2膜以提高膜材料水热稳定性的研究思路。详细研究了氧化铝原料的粒径分布与多孔陶瓷膜载体结构和性能(机械强度、渗透性能和表面粗糙度)的关系，采用悬浮液真空抽吸法一步制备出完整、无缺陷并具有梯度孔结构的多孔陶瓷支撑体。研究了以NPB和BTESE为前驱体的水解和聚合过程，确定了适宜涂膜的Nb2O5和有机无机复合SiO2聚合溶胶的制备条件，揭示了成膜过程参数与微孔膜气体分离性能和水热稳定性能的关系。制备出的微孔Nb2O5膜对H2的渗透通量为3×10-9 mol•m-2•s-1•Pa-1，H2/CO2理想分离因子达到49，经150 kPa水蒸气处理8 h后，膜对H2的渗透性能和对H2/CO2理想选择性基本保持不变；有机无机复合SiO2膜对He的渗透通量为1.03×10-7mol. m-2.s-1.pa-1, 对He/CO2的理想分离因子为47，膜材料在500 kPa水蒸气条件下可以稳定8 h。以铌醇盐和BTESE为前驱体，通过溶胶-凝胶法制备出Nb掺杂的有机无机复合微孔SiO2膜。研究结果表明，膜材料的致密化和膜表面的的酸性是影响Nb掺杂BTESE膜分离性能的重要机理。该膜对He/CO2理想分离选择性达到220，对He的渗透通量为1×10-7mol.m-2.s-1.Pa-1。特别值得注意的是该膜材料在100 kPa水蒸气环境中稳定时间达311小时，显示出优异的水热稳定性能。通过3年研究，本项目共发表学术论文20篇，其中SCI收录9篇(影响因子6.827的文章1篇，影响因子>3.0的文章3篇)，EI收录16篇，申请专利10项，其中授权4项，培养研究生9名，获得包括国家科技进步二等奖在内的奖励7项。