无机膜2-1章.ppt

第二章 无机膜的制备 2.1 引言 2.1.1 无机膜的多层不对称结构 1. 无机膜应用对性能的要求与现实实践的矛盾 应用对性能的要求： 解决思路： 在制备过程中将两个对立因素统一起来考虑。 实现无机膜材料的优化设计，体现最优化功能。 多层不对称结构就可实现这一目标。 2. 无机膜多层不对称结构的内涵 即：在极厚的大孔载体上通过过渡层制成极薄的小孔或无孔控制层。 前述及： 3. 多孔无机膜多层不对称结构功能化的实现 目标：结构、功能、成本的统一。 （2）多层不对称结构利于降低无机膜制作成本 高聚物海绵状结构(RQ膜). 手指状结构(UF膜). 4. 致密型无机膜单层对称结构和多层不对称结构 小结论： 通过上面的学习，我们可以明确无机膜的研究制备方向， 即在渗透通量大的多孔载体表面采用各种物理化学方法，负载具有分离能力和催化功能的金属或合金活性薄膜层。 所制成的复合膜不仅能提高流体渗透率与流量，提高分离系数，而且能显著改善反应的选择性。 2.1.2 无机膜组件的构型 中空纤维式膜组件 2.2 无机膜材料 2.1.1 致密材料 1.金属及其合金 （1）Pd、Pd合金膜 ②Pd膜传质机理： 特点：具有高度的专一性。 实则，化学角度上，Pd膜特殊的透氢性能由其原子结构决定： Pd原子最外层的4d层电子缺2个电子， 所以其表面具有强烈吸附氢的能力，能使氢分子解离为氢原子，Pd能夺取氢原子的电子形成质子H+，H+溶解于Pd中并沿梯度方向扩散，而透过Pd膜。 所以说：作用是决定于原子结构的。 杂质气体无此效应，所以不会传递， ③应用： 制备高纯氢 Pd膜反应器（兼具透氢和催化性能，用于加氢反应效果良好） ④Pd合金膜（与VIB、VIIIB族合金制成） 传质机理同Pd膜 效果更佳 注：能吸附氢的金属，不仅限于Pd膜，还有性能类似的V、Nb、Ta等V族元素。 这一类材料，成功用于制备高纯氢 选择性加氢 脱氢反应 化学镀Pd-Cu膜 Yi Hua Ma, et al, U. S. Patent 6152987, 2000 Yi Hua Ma, et al, Ind.Eng.Chem.Res., 2004,43,2936 PSS Polystyrenesulfonate (sodium salt,Mw=7,000) 聚苯乙烯硫酸钠盐 的缩写形式 化学镀Pd-Cu膜 Yi Hua Ma, et al, U. S. Patent 6152987, 2000 Yi Hua Ma, et al, Ind.Eng.Chem.Res.2004.43.2936 化学镀+CVD制备Pd膜 （2）Ag膜（透氧材料） ①传质机理 “解离吸附—扩散—复合”机理： ②Ag膜应用： 实际应用：Ag膜反应器在甲烷氧化偶联制C2烃反应中的应用。 2.固体氧化物电解质材料 （1）材料：YSZ（ Y2O3稳定的ZrO2） （2）功能：选择性透过氧（在催化各种氧化反应中应用） （3）特点：膜两侧有氧的浓差时，该材料只能使氧选择性透过，是氧离子电导体。 （4）传质机理：氧以O2-形式在膜中传递: 扩散、吸附、解离、氧离子扩散、复合 YSZ的疑问：为何用Y2O3来稳定ZrO2？ 原因1：结构稳定性上： 纯ZrO2晶体结构随温度发生变化，体积随之发生9%左右的变化。 为使之稳定，加入少量Y2O3或CaO，形成(ZrO2)0.9· (Y2O3)0.1或ZrO2·CaO的固溶体，使结构稳定。 为何用Y2O3来稳定ZrO2？ 原因2：传递的实现上：（机理的解释） 部分 Zr4+被Y3+取代 氧泵材料： 不同金属组成电极对：P’O2 ·M1/YSZ/M2·P’’O2 有何措施提高氧的渗透率？ （为加速氧的传递，）外加直流低电压。 （5）应用 甲烷氧化偶联 负极：Ag 正极：Ag+Bi2O3 原子态氧生成活性氧 等 注：致密无机膜选择性很好，但渗透通量却较低，是其应用的瓶颈 2.2.2 微孔材料 特点：孔径范围200~500nm；厚50~70μm；渗透率高于致密膜。 制作方法：图案成型； 固态粒子烧结法； 电化学法 沸石分子筛膜 2.3 无机膜的制备方法 很多： 胶体 气溶胶 液溶胶 1. Sol-Gel技术工艺过程 为何称“低温合成”技术？ 液相、分子水平混合，反应活化能低； 室温形成氧化物网络结构； 热处理控制网络结构。 2. Sol-Gel技术影响因素 2. Sol-G