沸石膜用于生物油的渗透汽化高效脱水分离研究

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在开发新能源和低碳发展已成为全球性共识的背景下,利用生物质制取绿色、环保的生物燃料逐渐成为研究的热点。其中,经生物质热裂解得到的生物油备受人们的关注。由于生物油的水含量较高而导其致热值和稳定性较低,实现生物油的高效脱水对于发展基于生物油的高性能液体燃料具有重要意义。本文使用沸石膜和渗透汽化膜分离技术对生物油进行脱水分离研究。(1)通过无模板剂的方法水热合成T型沸石膜和ZSM-5沸石膜,分别考察它们在生物油中的渗透汽化性能。结果表明:T型沸石膜和ZSM-5沸石膜在生物油脱水过程中表现出极高的分离选择性,渗透侧水含量分别为98 wt%和99 wt%;但它们在强酸性、多组分的生物油中非常容易发生膜污染而导致渗透通量较低,70℃时的渗透通量分别为0.60 kg m-2 h-1和0.18 kg m-2 h-1。(2)采用乙醇溶液浸渍和焙烧结合的方法对被生物油污染后的膜进行再生。结果表明:经乙醇溶液浸渍和高温焙烧后的沸石膜具有最好的再生效果,再生后的T型沸石膜和ZSM-5沸石膜的渗透通量可分别恢复至初始的87%和88%,渗透侧水含量依然分别为98 wt%和99 wt%。(3)选用吸附-扩散模型对渗透机制进行分析,计算得到的T型沸石膜和ZSM-5沸石膜在生物油体系中水的渗透活化能分别为-18.74 k J mol-1和-17.99 k J mol-1,均小于它们在纯水体系中水的渗透活化能(-6.98 k J mol-1和-6.82 k J mol-1);经140~220oC再生后,它们在生物油体系中水的渗透活化能分别为-18.98~-18.24 k J mol-1和-23.28~-20.16 k J mol-1,均逐渐接近其初始的值。这表明沸石膜的晶内孔在生物油体系中极易被污染,从而导致渗透通量迅速下降;而孔径相对较大的晶间孔却难以被完全堵塞,水分子在被污染的膜中主要通过晶间孔进行渗透。通过合理调控膜的晶间孔的数量和尺寸大小可有效提升沸石膜在生物油中的渗透汽化脱水分离性能。(4)通过控制晶化时间对ZSM-5沸石膜的孔道结构进行调控。结果表明合理缩短晶化时间可有效提高生物油的脱水分离性能,膜在生物油中70℃时的渗透通量和渗透侧水含量可达1.80 kg m-2 h-1和98 wt%,这是目前最好的生物油脱水性能。
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