研究背景

从石脑油重整和蒸汽裂解获得的C8芳烃馏分含有二甲苯异构体混合物。邻二甲苯（OX）和间二甲苯（MX）的过剩可以通过催化异构化转化为增值的对二甲苯（PX）。混合二甲苯各组分之间的沸点差很小，采用传统的精馏方法分离耗能大。膜分离作为一种节能的气体分离技术，工业上已经应用于从天然气和沼气中分离二氧化碳。然而用膜分离法分离对二甲苯和邻二甲苯比分离CO2和CH4更具挑战性，因为PX和OX的物理化学性质更接近。

分子筛膜因其均匀的微孔结构成为气体分离的理想膜材料。采用ZSM-5等分子筛制备成膜分离PX/OX混合物是目前的研究热点。IM-5分子筛属于IMF拓扑结构，且拥有比ZSM-5分子筛更直的通道和更低的骨架密度。IM-5的a轴方向的孔径为0.55 nm×0.56 nm、0.53 nm×0.54 nm，b轴方向的孔径为0.48 nm×5.4 nm、0.51 nm×0.53 nm，c轴方向的孔径为0.53 nm×0.59 nm。IM-5分子筛的孔径与ZSM-5分子筛相似。更重要的是，所有通道都是笔直且相连的。气体分子通过这些连通且笔直的通道的扩散率应高于通过ZSM-5分子筛的一些Z字形通道的扩散率。如果将IM-5分子筛制备成连续的分子筛膜，则无需控制晶体层的择优取向即可获得直通道膜。在碳氢化合物分子存在的情况下，分子筛骨架和通道被认为扩大了约10%。所以当分离烃类混合物时，IM-5分子筛通道的实际尺寸预计大于PX的动力学直径（0.59 nm），但小于OX的动力学直径（0.68 nm）。IM-5有望成为一种有潜力的用于PX/OX分离的膜材料。

成果展示

本研究首次通过晶种生长在管状载体上合成连续IMF分子筛膜，IMF分子筛孔道直径为0.53−0.59 nm的直通道可用于分离对二甲苯和邻二甲苯分子。采用超声辅助老化工艺制备了晶体尺寸均匀且更小的纯相高硅的IM-5分子筛晶种。通过浸涂将晶种涂覆在载体上并诱导合成出连续的膜层。在不同温度和压力下研究了对/邻二甲苯混合物的分离性能。所制备的IM-5分子筛膜的对/邻二甲苯分离选择性为3.7。研究结果表明IM-5分子筛是一种有潜力的用于二甲苯混合物分离的良好膜材料。

图文导读

图1  (a) 标准IMF、常规合成和优化合成的IM-5的粉末XRD谱图，以及(b)常规合成和(c)优化合成的IM-5的SEM图像，(d) 优化合成的IM-5的TG和DSC曲线，(e) 优化合成的IM-5的N2吸附-解吸等温线和(f)优化合成的IM-5的红外光谱

图2  (a, b) ZrO2-Al2O3复合载体和(c, d)水热一次和(e, f)水热两次合成后的IM-5分子筛膜的SEM图像

表1  在优化条件下水热两次合成的IM-5分子筛膜M1-M4在523 K和0.5 kPa对二甲苯分压下等摩尔PX/OX混合物的分离性能

图3  548 K下等摩尔PX/OX进料，IM-5分子筛膜PX/OX分离渗透性能与PX分压与分离数据的关系

图4  PX为0.5 kPa下等摩尔PX/OX进料，IM-5分子筛膜PX/OX分离渗透性能与温度的关系

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cjche.2023.01.020

来源：CJChE中国化学工程学报