[发明专利]一种支撑型超薄二维分子筛膜的制备方法及应用

说明书

本发明提供一种支撑型超薄二维分子筛膜的制备方法及应用，该方法包括如下步骤：①将分子筛纳米片分散在溶剂中，得到纳米片分散液；②将纳米片作为晶种层负载到载体表面，得到晶种层与载体的结合物；③制备分子筛膜合成液；④将步骤③所得的分子筛膜合成液和步骤②所得的晶种层与载体的结合物置于反应釜中进行水热生长，干燥后得到厚度为5nm‑5um的支撑型超薄二维分子筛膜。本发明的制备方法以纳米片为晶种，取向负载在载体表面，通过晶种层的部分溶解及外延生长，得到高度取向、均匀致密、无缺陷的超薄分子筛膜，在膜分离、催化剂、传感器及膜反应器等领域中具有广阔的应用前景，尤其在液体或气体混合物的分离过程中表现出优异的性能。

技术领域

本发明属气体或液体混合物分离领域，具体涉及一种支撑型超薄二维分子筛膜的制备方法及应用。

背景技术

节能减排技术是实现可持续发展、环境友好的关键之一。分离过程是工业生产中的重要操作过程之一，占过程工业总能耗的40％～60％，因此分离过程的节能减排受到了全球性的普遍重视。膜分离具有能耗低，分离效率高，操作简便，低碳排放等显著优势，可被运用于混合物分离，海水淡化，水污染治理及制药等诸多领域中。分离膜市场目前主要由聚合物膜占主导地位，但其热稳定性和化学稳定性不高。

分子筛膜由具有亚纳米级规整孔道的多孔材料构成，可以实现基于分子尺寸与形状的精确筛分，有望突破罗宾逊上限，且热稳定性和化学稳定性好，受到广泛关注。目前与分子筛膜有关的限制主要在于膜本身，当分子筛膜的厚度较薄时，往往会存在空隙、裂纹等缺陷，产生非分子筛孔道，使膜的选择性降低；当分子筛膜厚度增大时，膜的缺陷被修复，但是通量会降低。为了保证分子筛膜选择性的同时提高膜的通量，无缺陷的超薄分子筛膜亟待开发。与此同时，对于传感器领域。超薄分子筛膜可以缩短响应时间；对于催化剂领域，超薄分子筛膜可以避免物质在催化剂中有限的扩散转移产生的低反应速率；对于膜反应器，超薄分子筛膜可以降低扩散阻力。

Tsapatsis课题组制备得到超高选择性、高通量的MFI分子筛膜，他们采用“bottom-up”法制备得到了厚度为5nm的MFI纳米片，通过抽滤法将其以多层的形式负载在二氧化硅纤维载体上，水热生长得到厚度为2um的分子筛膜，在邻/对二甲苯的分离中的选择性为2000，对二甲苯的通量为5.6*10^-7mol Pa^-1m^-2s^-1。严玉山等人以不锈钢为载体，原位法制备得到单层silicalite-1膜，将其作为离子选择性电极，表现出良好的离子筛分性能。埃克森公司通过调变晶种电荷或者修饰载体，依赖静电作用将晶种负载在载体上，再制备分子筛膜(WO97/33684)。上述分子筛膜均致密无缺陷，但是分子筛膜的厚度仍然较厚。

本发明创新性地采用纳米片为晶种，当其从分散液中转移至载体表面时，在表面张力的作用下会以单层的形式、取向性的紧密贴在载体上，晶种层薄，有利于得到超薄的分子筛膜。本发明所述分子筛膜合成液在水热合成过程中，不能液相成核，因此可以避免膜厚增加；同时在晶种层附近浓度高，可以使晶种外延生长，消除纳米片晶种间的空隙，得到无缺陷的支撑型超薄二维沸石分子筛膜。不同类型的分子筛膜孔道尺寸不同，针对其孔道大小及吸附性能可以实现混合物的分离，在膜分离领域具有优异的性能，在传感器、催化剂、膜反应器中具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种支撑型超薄二维分子筛膜的制备方法及应用。

一种支撑型超薄二维分子筛膜的制备方法，包括如下步骤：

①将二维分子筛纳米片晶种分散在溶剂中，得到含有分立分子筛纳米片的晶种分散液；

②将载体与含有分立分子筛纳米片的晶种分散液接触，使纳米片晶种以单层的形式负载到载体表面，得到晶种层与载体的结合物，热处理使结合物更稳定；