超薄高性能沸石分子筛纳米片分离膜的构筑与性能研究

Isobutane is raw mateiral to production of butyl rubber, polyisobutylene, alkylate, ethylene and isoprene and other important chemical products. The rapid development of two-dimensional(2D) materials provides opportunities and challenges for the development of high performance membrane materials. Zeolite nanosheet materials perfectly combine the molecular sieving selectivity and maximum flux resulting from its ultra-thin thickness, therefore they are the most ideal membrane materials. Aiming at achieving high performance membrane for n-butane /i-butane mixture and solving the trade-off issue between the selectivity and flux, this project intends to develop new strategy and method to construct and assemble ultra-thin silicalite-1 zeolite nanosheet stacked layers as separation membrane using the few cell-unit-thin silicalite-1 zeolite nanosheets. The relevance between structure of zeolite nanosheet and separation performance of the resulting ultr-thin membrane will be studied. This work is of significance for developing a new generation of separation membrane and for providing a platform to explore the eletroinc, optical properties and reaction performance of 2D materials.

异丁烷系生产丁基橡胶、异聚丁烯、烷基化油、乙烯和异戊二烯等重要化工产品原料。二维材料的迅猛发展为高性能膜材料开发提供机遇和挑战。沸石纳米片材料完美结合了沸石材料的分子筛分选择性和物理厚度达到极限小的超薄特性所至使的高通量，是最理想的膜材料。面向正丁烷/异丁烷分离高选择和高通量膜研制的迫切需求，本项目拟以厚度为数个晶胞层的Silicalite-1沸石纳米片二维材料为结构单元，开展层状沸石纳米片超薄膜的设计与组装，建立构筑沸石纳米片超薄膜的新策略和方法，研究沸石纳米片的宽深比、晶胞层的数目等结构因子对纳米片超薄膜的分离性能的关联，解决膜的选择性和通量间的矛盾互逆的科学问题，制备高选择性、高通量正丁烷/异丁烷超薄分离膜，开发新一代沸石纳米片超薄膜，亦为二维材料奇异的电子、反应性能、光学等内在本质性能的研究与探索提供平台。

异构体的分离是世界强耗能的七大体系之一，也是国际上膜研究的热点和难点，晶态分子筛膜由于其潜在的择形分子筛分选择性，是异构体分离的理想材料膜材料。而取向与维度是影响晶态膜性能的最关键因素，也是晶态膜研究所需要解决的关键科学问题。本项目以正丁烷/异丁烷为模型异构体分离体系，本项目采用自下而上的方法制备了厚度约为10nm宽深比为100左右的Silicalite-1纳米片，同时首次制备了厚度约为10nm w-MFI 纳米片。我们以纳米片为结构基元，将其组装到粗糙的管状载体表面，制备了厚度仅为二三个纳米片厚度的晶种层，并且基于合成沸石分子筛化学，开展了纳米片宽深比、模板剂的种类、加热方式、载体管的孔结构等诸多成膜因素对超薄膜的厚度、取向的影响，精准地调控了膜层的取向和厚度，首次在管状载体上制备了b取向的厚度为xxx纳米的Silicalite-1膜，该膜的对正丁烷异丁烷的分离选择性为20-38，正丁烷渗透速率为7.7*10-7-1.5*10-7mol/(m2·s·Pa)。，其综合性能是文献报道的最佳值，这是国际上首次在适合工业化应用的管状载体上制备了b取向的Silicalite-1膜，打破了国际上在曲面上难以制备b取向晶种及保持b取向膜的制备。该膜由于取向和厚度的优化，使得其在保持较高的分离选择性上，其通量为文献报道最佳值的2-10倍。. Silicalite-1膜不仅其固有的择形筛分选择性，其固有的疏水性使得其在水中脱除乙醇显示了潜在的优良性能。本项目对除了完成计划外的研究，将silicalite-1膜构效关系进行拓展延伸，对晶间、取向微观结构进行了调控，制备了对乙醇/水体系显示了极高对乙醇显示高的选择性。. 本研究纳米片构筑超薄取向高性能的沸石膜提供了新的策略与思路，也证实了取向厚度等微观结构的调控是研制高性能的根本途径，发展功能为导向的结构设计与精准调控的新制备原理与方法。