沸石膜结构和制造沸石膜结构的方法技术

具有高稳定性、高渗透性和大表面积的无机膜结构。沸石膜可以沉积在中间孔径调整层上，该调整层减小无机多孔载体的孔径。中间孔径调整层使沸石膜的缺陷最少化，并提供更连续和均一的沸石膜。无机膜结构可以是蜂窝整料。沸石膜的应用包括例如气相或液相流体的膜超滤、生物实验和细胞培养表面。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本申请一般涉及沸石膜结构，更具体的，涉及用于分子水平的分离的沸石膜结构， 及其制造方法。
技术介绍
在膜分离领域中，沉积在多孔载体上的膜材料被广泛用于液相介质中的微过滤和 超滤和气相分离。多孔载体的功能是为膜材料提供机械强度。 无机多孔载体可与无机涂料一起沉积，以形成用于在环境、生物、饮食、半导体、化 学、石化、汽油和能源工业中的过滤和分离的膜结构。这些工业通常需要纯化的气体/蒸汽 或纯化的液体，其来源是由不同气体和/或液体/颗粒组合组成的混合原料流。特定的例 子包括氢气纯化和分离，二氧化碳气体的分离，油/水混合物的过滤，废水处理、酒和果汁 的过滤，液体流的细菌和病毒过滤，从生物物质分离乙醇，和用于半导体和微电子工业的高 纯度气体和水的生产。 沸石材料可用作反应或分离过程的催化剂和吸附剂，因为沸石材料提供了分子级 栅格通道，以分辨在各个分子的重量、大小和/或形状上仅有轻微差异的单个分子。另外， 可调节含有沸石膜的通道上的表面化学，以实现特定的分子吸附或反应性质。 沸石膜用于工业已久，因沸石膜和沸石膜反应器与传统吸收分离过程和催化反应 过程相比，都提供了显著的工艺效率上的优势。常规沸石膜合成是一步生长法，或是两步生 长法(或二级生长法)。在常规一步法中，沸石结晶通常在基材上直接生长。在常规二级生 长法中，首先在基材上涂上沸石晶种，然后结晶共生(inter-crystal growth)形成沸石膜。 沸石通常是I族和II族元素水热形成的硅铝酸盐。它们可用下列经验式表示M2/ n0 A1203 xSiO 2H20，其中"x"通常等于或大于2， "M"是价数为"n"的阳离子。合成的 沸石通常具有比天然沸石更高的均匀性和纯度，和更大程度的再现性。因此，合成沸石被更 可靠地制造用于工业用途。 合成的沸石膜(包括生长在或载于陶瓷载体上的那些)有许多用途。例如，它们 有催化性能，所以在工业上相当重要。另外，合成沸石的结晶结构使得它们特别适合作为分 离用的分子筛和阳离子交换物质。 制造实用的沸石膜，包括负载的沸石膜，长久以来一直是分离和催化剂科学的目的。通常，沸石膜是这样形成的，依次将多孔载体浸在不同反应物的溶液中，然后将空隙中有反应物溶液的多孔载体暴露在足以形成沸石的条件下，从而形成沸石膜。 然而，依次将多孔载体浸在不同反应物溶液中，使得载体空隙中发生的反应分布不规则，所以形成的沸石膜质量难以良好。例如，美国专利4， 800， 187公开了一种使强结合的沸石在陶瓷多孔载体的表面上结晶出来的方法，该方法是在活性二氧化硅存在下用水热 法处理陶瓷多孔载体，用苛性碱浴使二氧化硅转变成为沸石。如该文所公开的，活性二氧化 硅作为苛性浴的一个组分可以预先以干涂层形式沉积在陶瓷多孔载体上，或可作为陶瓷多 孔载体的独立相，均匀地分散在陶瓷多孔载体的陶瓷材料中。 要使沸石膜实用，它必须具有高的物质传递通量和选择性。要获得这样的沸石膜 很困难，因为沸石膜中通常有缺陷。通常，膜用本领域已知的低碱性合成途径来生长，是在 膜厚度方向上形成几个区，在较小晶体的上面生长形成较大晶体。在这几个区中，晶体并不 能长成晶体间没有空隙的致密层，所以为了获得选择性渗透的沸石膜，由这些区组成的上 述沸石层必须生长至过大的厚度(大于50微米)，以便把空隙和缺陷密封起来。这就对物 质传递产生较大的阻力，因而减少了通量。从高碱性合成途径获得能起作用的沸石膜很困 难，因为沸石膜中的晶体不均匀，需要很大的膜厚度来密封针眼和空隙结构，因此这种结构 降低了膜的选择性。这些针眼和空隙的存在是合成的高碱性膜中光散射的原因。 W096/01686描述了一种用来分离分子和进行催化转化的复合物，它包含一基材、 与该基材接触的沸石或类似沸石的材料、以及与沸石接触的增强选择性的涂层。该增强选 择性的涂层提供了两个作用，而这两个作用均使沸石复合物的选择性增强(l)通过缓解 或分散由恶劣环境引起的沸石层内的机械应力或变形而起的稳定作用；和，(2)通过密封 沸石层内的缺陷或空隙而起的修补作用。 美国专利No. 5， 567， 664公开了包含由多孔载体承载的结晶沸石型(zeo-type)材 料的膜，该结晶沸石型材料在载体孔内是基本连续的。沸石型结晶材料延伸入该多孔载体 中，直接从该多孔载体形成结晶并与该多孔载体直接结合。形成该沸石膜的复杂方法中产 生了一个困难。该复杂方法包括将多孔载体的至少一个表面浸在能结晶产生结晶沸石型材 料的合成凝胶中。随后，该方法包括诱导凝胶结晶，从而使沸石型材料结晶在多孔载体上。 该方法包括重复这些步骤一次或多次，较佳的为3-10次，以获得从多孔载体直接结晶并与 其直接结合的沸石型材料膜。 已经研究了利用沸石膜进行分子分离的可行性。例如，J.Dong， Y.S.Lin 禾口 W.Liu 的"Multicomponent hydrogen/hydrocarbon separation by MFI-type zeolitemembranes(使用MFI型沸石膜的多组分氢/碳氢化合物分离)"，AIChE杂志，46， 1957(2000)描述了在MFI型沸石膜上H2/碳氢化合物分离的高渗透通量和高选择性。 然而，常规的沸石膜通常制成盘或管状。盘或管状沸石膜结构的表面积堆积密度 小，并且单位膜分离面积基础上的制造和装配成本高，从而阻碍了沸石膜的广泛应用。 已尝试在大表面积堆积密度的载体结构，例如整体陶瓷载体上制造沸石膜。例 如，在60个2mm通道的碳化硅(SiC)整体基材上制造了 B-ZSM-5沸石膜，其显示约11-39 的正丁烷和异丁烷的分离选择性因子(Hail Kalipcilar， John L. Falconer和Richard D. Noble，"Pr印aration of B-ZSM-5 membrane on a monolith support (在整体载体上制 造B-ZSM-5膜)"，Journal of Membrane Science (膜科学杂志)，194 (2001) 141-144)。 用于沸石膜的整体载体的使用在本申请人所有的美国专利号6，440，885中有所 描述，其在此完整引入以供参考。 常规膜合成法的缺点包括例如合成时间长，沸石结晶过大，沸石结晶生长并不在 通道内表面或管道内表面上有优势，在基材上的成核位点有限，因此沸石结晶的体积密度低，形成针眼尽可能少的沸石膜难，以及沸石膜过厚。 有利的是提供一种利用有效载体结构(对于化学组成、几何学、和孔结构)，和利 用有效沸石结构(对于沿着载体上膜涂层厚度孔结构随之变化)制造用于分离用途的沸石 膜和含沸石的膜的方法。
技术实现思路
本文描述了含有沸石膜的无机膜结构及其制备方法，并克服了常规沸石膜和/或 制造常规沸石膜的一种或多种上述缺点。 本专利技术的无机膜结构可用于具有改良的能量和资本效率的制造工业中的分离，例 如从烟道气流捕获C02用于隔离，废气流的H2回收，燃料电池应用中产物气体混合物的H2纯 化，和生物物质转化过程中从乙醇/水混合物中除去水。 在一个实施方式中，公开了无机膜结构。无机膜结构包含无机多孔载体，其包含 第一端、第二端；和多条内部通道，其具有由孔壁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无机膜结构，其特征在于，包含：　　无机多孔载体，其包含第一端、第二端和多条内部通道，所述内部通道具有由孔壁限定的表面，并从第一端至第二端延伸通过载体；　　一个或多个多孔中间层，其含有涂覆在无机多孔载体的内部通道表面上的无机颗粒；和　　沸石膜，其含有涂覆在一个或多个多孔中间层的剩余表面上的沸石晶种层和涂覆在沸石晶种层上的沸石共生层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：CR费克特，LD金尼，W刘，宋真，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]