T 型分子筛膜脱盐性能的研究

臧毅华，盛春光，吴 巍，刘宗园，郑秋红，陈 赞

（中海油天津化工研究设计院有限公司，天津300131）

相比于传统海水淡化技术，使用分子筛膜进行脱盐处理具有能耗低、耐高温、抗腐蚀等优点〔1〕。目前，研究者已经针对不同类型的分子筛膜进行了脱盐研究，其中研究较多的有MFI 型、NaA 型和SOD型分子筛膜等〔2-6〕。MFI 型分子筛膜具有较高的硅铝比，耐酸性最好，但是在脱盐过程中膜通量和截留率都比较低。NaA 型和SOD 型分子筛膜的硅铝比为1，亲水性强，膜通量和截留率都较高；但是，在高水含量的水热条件下，这两种类型分子筛膜骨架中铝非常容易脱离，进而导致膜表面产生缺陷，造成膜分离性能的下降〔7-8〕。T 型分子筛膜的硅铝比为3～4，具有较好的亲水性和水热稳定性；并且，T 型分子筛膜表面晶体平均孔径为0.36 nm×0.51 nm，介于水和绝大多数离子动力学直径之间〔9-11〕。所以，T 型分子筛膜可以作为海水淡化的无机分离材料。笔者使用自制平均粒径600 μm 的T 型分子筛作为晶种，采用真空涂敷法将晶种负载在α-Al2O3载体管表面，通过水热合成制备了T 型分子筛膜；然后，使用T 型分子筛膜对氯化钠溶液进行渗透汽化脱盐实验，考察T 型分子筛膜的脱盐性能。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

氯化钠（分析纯）、氢氧化钠（分析纯）、氢氧化钾（分析纯），天津光复精细化工研究所；偏铝酸钠（化学纯），国药集团化学试剂有限公司；硅溶胶（固含量25%），青岛市基亿达硅胶试剂厂；四甲基氢氧化铵（有效组分质量分数25%）；α-Al2O3载体管（外径12 mm，内径8 mm，长250 mm，平均孔径2～3 μm，孔隙率30%～40%），广东佛山陶瓷研究所；去离子水为实验室自制。

1.2 T 型分子筛晶种的制备

将氢氧化钠、氢氧化钾依次加入去离子水中；待溶液冷却至室温，加入四甲基氢氧化铵搅拌；待溶液澄清，依次缓慢加入偏铝酸钠和硅溶胶，搅拌陈化12 h，溶液中各成分的物质的量比为n（SiO2）∶n（Al2O3）∶n（Na2O）∶n（K2O）∶n（H2O）∶n（TMAOH）=1∶0.05∶0.3∶0.1∶30∶0.3；陈化后将溶液倒入内衬聚四氟乙烯的水热反应釜（100 mL，烟台科立化工设备有限公司），并放入100 ℃烘箱（UFE500，Memmert）水热晶化24 h。得到的晶种溶液使用离心机（TD5K，东旺仪器），在4 000 r/min 的条件下离心5 min，之后倒掉上层清液补充去离子水，重复上述步骤继续离心水洗至上层清液为中性取出晶种。将晶种放入烘箱在80 ℃条件下干燥12 h，之后放入马弗炉（SC-GX0105）在550 ℃条件下煅烧6 h 去除模板剂，冷却后得到T 型分子筛晶种。

1.3 T 型分子筛膜的制备

将α-Al2O3载体管外表先后使用800#、1 200#砂纸打磨光滑，之后将载体管先后浸泡在1 mol/L 盐酸溶液和1 mol/L 氢氧化钠溶液中，分别超声振荡30 min，取出后使用去离子水洗至中性，放入烘箱80 ℃烘干2 h，取出待用；使用自制T 型分子筛晶种与去离子水制备成1 g/L 晶种溶液，之后使用超声分散1 h 待用；使用聚四氟乙烯密封塞堵死载体管一端，另一端连接真空泵；打开真空泵后，迅速将载体管放入晶种溶液中保持5 s，取出载体管后使用医用脱脂棉擦拭载体表面，使管表面晶种层均匀、平整，之后将载体管放入马弗炉在260 ℃下加热固化3 h，之后取出待用；按照n（H2O）∶n（TMAOH）=20∶1∶5.1∶1.7∶300 使用硅溶胶、偏铝酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾和去离子水制备膜合成液，并陈化24 h 待用；将载体管两端堵死放入反应釜，并放入膜合成液，在150 ℃下水热反应16 h，之后将膜管取出，使用去离子水将表面清洗至中性，烘干，得到T 型分子筛膜。

1.4 T 型分子筛和T 型分子筛膜的表征和评价

所制备的T 型分子筛和T 型分子筛膜使用X射线衍射分析仪（D/max-2500 型，日本理学株式会社）表征其晶相结构和结晶度；使用扫描电子显微镜（SEM，S-4800，Hitachi）来观测其表面及截面形貌。

采用不同浓度的氯化钠溶液来测定所合成的T型分子筛膜的脱盐性能。脱盐性能由渗透通量（J）和离子截留率（R）两方面评价，渗透通量J 为单位时间单位膜面积内透过膜的物质的总质量，单位kg/（m2·h）。渗透通量由自建膜评价装置进行检测，设备工艺流程见图1。实验检测方法：向原料罐加入氯化钠溶液，打开循环泵待系统循环5 min，开启加热。待系统达到指定温度，依次打开冷凝器、真空泵，测量单位时间内渗透液罐内液体质量即可得到膜的渗透通量。离子截留率Rj=（Rj，F-Rj，P）/Rj，F，其中Rj，F、Rj，P分别为原料侧和渗透侧料液中的离子浓度，下角标j 代表钠离子或氯离子。进料侧和渗透侧的离子浓度由台式离子计（S220-K，梅特勒-托利多）进行检测。

图1 膜评价装置工艺流程

2 结果与分析

2.1 T 型分子筛晶种及筛膜的表征

T 型分子筛晶种及筛膜的SEM 如图2 所示。

图2 T 型分子筛晶种和T 型分子筛膜SEM

由图2（a）可以看出，晶种晶粒均为圆柱形，柱长约600 nm，直径约150 nm。晶种粒径较小，具有较高的反应活性，适合作为分子筛膜生长的活性中心〔12〕；并且小粒径的晶种可以在膜表面涂覆更加致密，更有利于减少膜合成过程中表面缺陷的产生〔13〕。而从图2（b）、图2（c）可以看出，T 型分子筛晶粒在载体管表面a&b 轴向上交错生长，晶粒成圆柱形，柱长约2 μm，直径约500 nm，表面生长均匀、致密。从截面SEM 照片可以看出，分子筛膜与载体连接紧密，有明显分界线，厚度均匀，膜层厚度约10 μm 左右，并且晶粒没有进入载体孔道内部从而堵塞孔道。

T 型分子筛晶种及筛膜的XRD 谱图如图3 所示。

由图3 的T 型分子筛晶种XRD 可以看出，在2θ 为23.9°、13.6°、20.7°的位置显示出很强的T 型分子筛的特征衍射峰，且没有其他晶体的杂峰出现。而T 型分子筛膜的XRD 上，晶化后的膜管同时具有α-Al2O3和T 型分子筛的特征峰。

2.2 温度对脱盐效果的影响

在进料流量为3 L/h，原料液氯化钠质量分数为3.5%的条件下，考察温度对T 型分子筛膜脱盐效果的影响，结果见图4。

图4 温度对T 型分子筛膜脱盐效果的影响

从图4 可以看出，操作温度从30 ℃上升至90 ℃的过程中，膜通量从3.74 kg/（m2·h）上升至5.25 kg/（m2·h），而离子截留率从99.71%下降至99.34%。这是因为随着温度上升，溶液中分子运动加剧，水分子更容易穿过膜表面，并且随着温度的上升，溶液的流体形式从层流逐渐向湍流过渡，膜表面的浓差极化现象减弱，过膜阻力也相应的减弱，所以渗透通量会增加〔14〕。离子截留率随着温度的增加虽然略有下降，但是总体仍保持在99%以上，下降的原因可能是由于温度上升造成离子运动更加剧烈，更容易通过膜的孔道，进入膜的渗透侧。

2.3 进料流量对脱盐效果的影响

在温度为90 ℃，原料液氯化钠质量分数为3.5%的条件下，考察进料流量对T 型分子筛膜脱盐效果的影响，结果见图5。

图5 进料流量对T 型分子筛膜脱盐效果的影响

从图5 可以看出，随着进料流量的增加，离子截留率逐步从99.5%下降至99.31%， 而渗透通量从3.56 kg/（m2·h）上升至5.42 kg/（m2·h）。 随着进料流量的上升，膜表面流速增加，跨膜压差增大，渗透通量也就相应的增加〔15〕。但是在进料流量从1 L/h 上升至3 L/h 的过程中，渗透通量从3.56 kg/（m2·h）上升至5.25 kg/（m2·h），而进料流量从3 L/h 上升至6 L/h 的过程中，渗透通量仅上升至5.42 kg/（m2·h），增幅明显下降。这可能由于跨膜压差的增大，会使大量的盐沉积在膜表面，堵塞了部分孔道，造成渗透通量不能继续增大。而溶液中的离子在跨膜压差增大的条件下，会更容易穿过膜层，造成截留率的下降〔16〕。

2.4 氯化钠浓度对脱盐效果的影响

在温度为90 ℃，进料流量为3 L/h 的条件下，考察氯化钠浓度对脱盐效果的影响，结果见图6。

图6 氯化钠浓度对T 型分子筛膜脱盐效果的影响

从图6 可以看出，随着氯化钠质量分数从0.5%上升至4.5%，渗透通量从6.38 kg/（m2·h）下降至5.19 kg/（m2·h），离子截留率从99.95%下降至99.2%。这是由于溶液中离子浓度升高，会更多地沉积在膜表面，占据有效的吸附位，从而堵塞孔道〔9〕；另一方面，浓度升高也会使膜表面的浓差极化现象加剧，使得水分子更难穿过膜表面，导致渗透通量的下降。虽然在溶液离子浓度上升的情况下，离子截留率略有下降，但是总体还保持在99%以上，表现出很好的脱盐效果。

2.5 操作时间对脱盐效果的影响

在温度90 ℃，进料流量为3 L/h，原料液氯化钠质量分数为3.5%的条件下，进行196 h 渗透汽化脱盐实验，考察T 型分子筛膜长时间运行的脱盐效果及膜的稳定性。结果表明，在长时间脱盐实验中，前期渗透通量和离子截留率略有下降，但后期基本保持稳定，渗透通量保持在4.9 kg/（m2·h）以上，离子截留率保持在99%以上。这是因为在实验前期，溶液中的离子占据了膜表面的吸附位并达到了平衡，此后在溶液浓度不继续上升的情况下，离子并没有更多地堆积在膜表面。T 型分子筛膜脱盐后的SEM 图显示，经过196 h 的脱盐实验，膜表面已经有正方形的氯化钠晶体，而膜表面晶型依然保持良好，没有产生缺陷。说明在长时间脱盐实验过程中，T 型分子筛膜具有良好的稳定性。

3 结论

（1）进料流量、操作温度和氯化钠浓度对T 型分子筛膜的脱盐性能有一定的影响，随着进料流量和温度的增加，膜的渗透通量增大而离子截留率降低；而氯化钠浓度的上升，会导致膜的渗透通量和离子截留率的下降。根据实验数据以及综合考虑操作条件、运行成本和膜的使用寿命，确定进料流量为3 L/h，操作温度90 ℃为最佳的膜脱盐条件。

（2）在进料流量为3 L/h，操作温度为90 ℃，氯化钠质量分数为3.5%的条件下，196 h 长时间运行过程中，膜渗透通量保持在4.9 kg/（m2·h）以上，离子截留率保持在99%以上，膜渗透通量及离子截留率保持稳定。脱盐后的膜表面晶型基本完好，无明显缺陷，说明制备的T 型分子筛膜具有良好的脱盐性能以及水热稳定性。同时，也表明T 型分子筛膜是一种可以进行海水淡化的膜材料，具有很好的应用前景。