在凝胶回收模式下温和合成管状MFI沸石膜，以实现高效的丁烷异构体分离

《Journal of Membrane Science》：Mild synthesis of inside tubular MFI zeolite membranes in gel-recycling mode for efficient butane isomer separation

高效制备亚微米厚度MFI沸石膜的温和胶体循环合成策略，通过动态凝胶流动和种子浓度优化实现均匀膜层，在363K低温下获得n-C4H10/i-C4H10分离因子63，渗透率4.1×10^-7 mol/(m2·s·Pa)，优于多数文献数据。

　　这项研究介绍了一种温和的凝胶回收合成策略，首次成功地在管状支撑体的内表面制备了亚微米厚度的MFI沸石膜，用于分离正丁烷（n-C?H??）和异丁烷（i-C?H??）。这一方法不仅提升了合成的可重复性，还显著降低了能耗和安全风险，为沸石膜的大规模工业应用提供了新的可行路径。

在传统的合成方法中，通常需要在高温高压条件下进行，这不仅消耗大量能源，还对设备提出了较高的要求，增加了操作的复杂性和安全隐患。而本研究提出的温和凝胶回收合成策略，通过降低合成温度至水的沸点以下（363 K），在保持膜性能的同时，实现了更环保、更安全的制备过程。此外，这种方法避免了使用氟化物等有害物质，从而减少了对环境的污染。

传统的静态水热合成方法由于重力作用，容易导致凝胶在反应器中沉降，形成沿轴向的浓度梯度。这种浓度梯度会影响膜的均匀性和结晶质量，进而限制了其在大规模生产中的应用。相比之下，凝胶回收合成方法通过持续的凝胶循环，有效消除了凝胶浓度梯度的问题，使得反应体系更加均匀。同时，动态的凝胶过程也减弱了温度梯度，从而提高了合成的可重复性。

为了进一步优化膜的性能，研究者对合成参数进行了系统研究，包括种子浓度、合成时间和凝胶回收流速等。实验结果显示，种子浓度对膜的微观结构和分离性能具有显著影响。通过调节种子浓度，可以有效控制膜的生长速率和晶粒尺寸，从而提升其分离能力。此外，合成时间的长短也会影响膜的厚度和结晶质量，而凝胶回收流速则决定了反应体系中凝胶的流动性和分布情况。

在实际应用中，膜的分离性能是衡量其质量的重要指标。研究团队通过实验验证了在优化条件下制备的膜具有出色的分离能力。例如，在303 K的测试温度下，膜对n-C?H??的渗透率为4.1 × 10?? mol/(m2·s·Pa)，而n-C?H??与i-C?H??的分离因子达到了63，这一数据超过了大多数已报道的沸石膜性能。这表明，通过凝胶回收合成策略，不仅可以制备出厚度更薄、结构更均匀的膜，还能显著提升其分离效率。

膜的性能不仅依赖于合成过程中的参数控制，还受到测试条件的影响。研究者对测试温度、压力和进料流速等因素进行了深入分析，发现这些参数对膜的分离性能和长期稳定性具有重要作用。例如，测试温度的升高可能会加快分子的扩散速率，从而影响渗透性能；而压力的变化则可能改变膜的传质行为，进而影响分离因子。此外，进料流速的增加可能会加剧膜表面的污染，影响其长期运行的稳定性。

除了分离性能的优化，研究团队还关注了膜的长期稳定性。在连续测试过程中，膜能够保持较高的分离效率，表明其具有良好的抗污染能力和耐久性。这种稳定性对于工业应用至关重要，因为实际操作中常常需要膜在较长时间内维持高效分离能力。通过凝胶回收合成策略，膜的结构更加均匀，减少了晶粒之间的缺陷，从而提高了其在实际操作中的稳定性。

在材料选择方面，研究团队采用了纳米尺寸的MFI沸石种子，以促进膜的均匀生长。种子的浓度被控制在0.025–0.1 wt%之间，确保了膜在生长过程中具有良好的成核和晶体生长条件。这种种子的使用不仅提高了膜的结晶质量，还使得膜的厚度可以精确调控，从而满足不同应用场景的需求。

研究还指出，凝胶回收合成方法在大规模生产中具有显著优势。传统方法由于依赖高温高压，往往需要复杂的设备和较高的能耗，而凝胶回收方法则能够在较低的温度下实现高效的膜合成，降低了对设备的要求。此外，凝胶的循环利用也提高了材料的使用效率，减少了资源浪费。

管状膜在实际应用中具有诸多优势，如对机械损伤的抵抗力强，以及在操作过程中能够有效降低浓度极化现象。然而，传统的静态水热合成方法在制备管状膜时面临诸多挑战，例如难以实现均匀的凝胶分布和热传递，这可能会影响膜的质量和性能。而凝胶回收合成策略通过动态的凝胶流动，改善了这些不足，使得管状膜的制备更加可行。

总的来说，这项研究为沸石膜的制备提供了一种全新的温和方法，克服了传统方法在高温高压条件下的局限性。通过优化合成参数，研究团队成功制备了具有优异分离性能的亚微米厚度MFI沸石膜，并验证了其在实际操作中的稳定性和可行性。这一成果不仅为分离技术的发展提供了新的思路，也为沸石膜在工业领域的广泛应用奠定了基础。