分子筛膜反应器的研究进展

doi:10.7503/cjcu20200517

摘要/Abstract

摘要：

分子筛膜具有规整的微孔结构(<1 nm), 耐高温高压、抗有机溶剂, 在液相和气相小分子分离中受到广泛关注. 分子筛膜可以与催化反应耦合于一体构成膜反应器, 使反应过程与组分分离同时进行, 促进反应平衡移动, 达到反应强化的效果. 本文概述了近十年不同类型分子筛膜反应器在催化反应中的应用研究进展, 并对分子筛膜反应器未来的发展趋势进行了展望.

关键词: 分子筛膜, 膜反应器, 反应平衡, 催化膜

Abstract:

Zeolite membranes have been widely attractive in gas and liquid separations between small molecules for their advantages of well-defined sub-nanometer pores， good tolerance against high temperature， high pressure and organic solvents. Zeolite membrane reactor that integrates zeolite membrane and catalyst into one unit， where the reaction and component diffusion occur simultaneously， can shift the equilibrium so as to intensify the reaction process. In this review， we give a brief introduction on the significant progress of different kinds of zeolite membrane reactors in catalytic reactions in the last decade. Furthermore， the development trend of zeolite membrane reactors in future are discussed.

Key words: Zeolite membrane, Membrane reactor, Equilibrium, Catalytic membrane

中图分类号:

O643.32

TrendMD:

张玉亭, 张春, 顾学红. 分子筛膜反应器的研究进展. 高等学校化学学报, 2021, 42(1): 289.

ZHANG Yuting, ZHANG Chun, GU Xuehong. Recent Advances on Zeolite Membrane Reactors. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(1): 289.

图/表 10

Table 1 Performance of water-selective ZMRs in esterification reactions

Zeolite membrane	Acid	Alcohol	Ester	t/℃	PV or VP	Conv. in ZMR(%)	Conversion improvement(%)	Ref.
NaA	Oleic acid	Ethanol	Ethyl oleate	80	PV	87.18	2.95	[8]
NaA	Tartaric acid	Ethanol	Diethyl tartrate	80	PV	92	21	[9]
NaA	Acetic acid	n?Propanol	Butyl acetate	100	VP	98.6	20.4	[10]
NaA	Propanoic acid	Isopropanol	Isopropyl propionate	150	VP	100	31	[11]
NaA	L?(+)?lactic acid	Ethanol	Ethyl lactate	145	VP	98	53	[12]
CHA	Adipic acid	Isopropanol	Diisopropyl adipate	92	VP	98	42	[13]
T?type	Oleic acid	Methanol	Methyloleate	60	PV	62.6	10.3	[14]
T?type	Propionic acid	Ethanol	Ethyl propionate	90	PV	99.8	17.2	[15]
MOR	Acetic acid	n?Butanol	Butyl acetate	85	PV	98.73	21.35	[16]
ZSM?5	Acetic acid	Isopentanol	Isoamyl acetate	100	PV	98.39	12.58	[17]

Fig.1 Schematic diagram of pervaporation(PV) and vapor permeation(VP)

Fig.5 Schematic illustration of MFI nanosheet monolayer coating by the floating?particle coating method, top?view of the coated support and MFI membrane(A) and xylene isomer separation permeances of MFI membrane?measured at temperature ranging between 100—175?℃(B)[37]Copyright 2018, Wiley-VCH.

参考文献 63

1	Zhang C.， Yan W. F.， Yu J. H.， Xu R. R.， Chem. J. Chinese Universities， 2012， 33（6）， 1124—1129（张聪，闫文付，于吉红，徐如人. 高等学校化学学报， 2012， 33（6）， 1124—1129）
2	Yang X. P.， Chem. React. Eng. Technol.， 2019， 35（1）， 73—86（杨雪萍. 化学反应工程与工艺， 2019， 35（1）， 73—86）
3	Zhang C.， Peng L.， Jiang J.， Gu X.， Chin. J. Chem. Eng.， 2017， 25， 1627—1638
4	Rangnekar N.， Mittal N.， Elyassi B.， Caro J.， Tsapatsis M.， Chem. Soc. Rev.， 2015， 44， 7128—7154
5	Mei W.， Du Y.， Wu T.， Gao F.， Wang B.， Duan J.， Zhou J.， Zhou R.， J. Membr. Sci.， 2018， 565， 358—369
6	McLeary E. E.， Jansen J. C.， Kapteijn F.， Micropor. Mesopor. Mater.， 2006， 90， 198—220
7	Diban N.， Aguayo A. T.， Bilbao J.， Urtiaga A.， Ortiz I.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2013， 52， 10342—10354
8	Han Y.， Lv E.， Ma L.， Lu J.， Chen K.， Ding J.， Energ. Convers. Manage.， 2015， 106， 1379—1386
9	Krasiński A.， Wierzba P.， GrudzieńA.， Hajmowicz H.， Zawada K.， Synoradzki L.， Chem. Process Eng.， 2016， 37（1）， 121—131
10	Li W.， Liu W.， Xing W.， Xu N.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2013， 52， 6336—6342
11	Ameri E.， Moheb A.， Roodpeyma S.， Chem. Eng. J.， 2010， 162， 355—363
12	Khunnonkwao P.， Boontawan P.， Haltrich D.， Maischberger T.， Boontawan A.， Process Biochem.， 2012， 47， 1948—1956
13	Hasegawa Y.， Abe C.， Mizukami F.， Kowata Y.， Hanaoka T.， J. Membr. Sci.， 2012， 415， 368—374
14	Asano Y.， Togashi S.， Endo Y.， J. Chem. Eng. Japan， 2013， 46， 313—318
15	Zhang W.， Na S.， Li W.， Xing W.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2015， 54， 4940—4946
16	Zhu M. H.， Feng Z. J.， Hua X. M.， Hu H. L.， Xia S. L.， Hu N.， Yang Z.， Kumakiri I.， Chen X. S.， Kita H.， Micropor. Mesopor. Mater.， 2016， 233， 171—176
17	Xue M.， Zhu M. H.， Zhong C. J.， Li Y. Q.， Hu N.， Kumakiri I.， Chen X. S.， Kita H.， J. Chem. Eng. Japan， 2019， 52， 69—74
18	Truong H. T.， Rode S.， Roizard D.， Mouzon⁃Pelletier S.， Tretjak S.， Sep. Purif. Technol.， 2013， 120， 24—34
19	Shi Z.， Zhang Y.， Cai C.， Zhang C.， Gu X.， Ceram. Int.， 2015， 41， 1333—1339
20	Liu D.， Zhang Y.， Jiang J.， Wang X.， Zhang C.， Gu X.， RSC Adv.， 2015， 5， 95866—95871
21	Qiu H.， Jiang J.， Peng L.， Liu H.， Gu X.， Micropor. Mesopor. Mater.， 2019， 284， 170—176
22	Ji M.， Gao X.， Wang X.， Zhang Y.， Jiang J.， Gu X. P.， J. Membr. Sci.， 2018， 563， 460—469
23	Chen C.， Cheng Y.， Peng L.， Zhang C.， Wu Z.， Gu X. P.， Wang X.， Murad S.， Micropor. Mesopor. Mater.， 2019， 274， 347—355
24	Wang J.， Gao X.， Ji G.， Gu X. P.， Sep. Purif. Technol.， 2019， 213， 1—10
25	Gallucci F.， Paturzo L.， Basile A.， Chem. Eng. Process.， 2004， 43， 1029—1036
26	Struis R. P. W. J.， Stucki S.， Wiedorn M.， J. Membr. Sci.， 1996， 113， 93—100
27	Raso R.， Tovar M.， Lasobras J.， Herguido J.， Kumakiri I.， Araki S.， Menéndez M.， Catal. Today， 2020， doi： 10.1016/ j.cattod.2020.03.014
28	Li H.， Qiu C.， Ren S.， Dong Q.， Zhang S.， Zhou F.， Liang X.， Wang J.， Li S.， Yu M.， Science， 2020， 367， 667—671
29	Zhou C.， Wang N.， Qian Y.， Liu X.， Caro J.， Huang A.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55， 12678—12682
30	Samimi F.， Kabiri S.， Mirvakili A.， Rahimpour M. R.， J. Nat. Gas Sci. Eng.， 2013， 14， 77—90
31	Yang H. Q.， Guo S. B.， Zhou J.， Gao H. X.， Prteochem. Technol.， 2019， 48（6）， 619—625（杨贺勤，郭少斌，周健，高焕新. 石油化工， 2019， 48（6）， 619—625）
32	Zhang C.， Hong Z.， Gu X.， Zhong Z.， Jin W.， Xu N.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2009， 48（9）， 4293—4299
33	Zhang C.， Hong Z.， Chen J.， Gu X.， Jin W.， Xu N.， J. Membr. Sci.， 2012， 389， 451—458
34	Yeong Y. F.， Abdullah A. Z.， Ahmad A. L.， Bhatia S.， J. Membr. Sci.， 2010， 360， 109—122
35	Yeong Y. F.， Abdullah A. Z.， Ahmad A. L.， Bhatia S.， Chem. Eng. J.， 2010， 157， 579—589
36	Varoon K.， Zhang X.， Elyassi B.， Brewer D. D.， Gettel M.， Kumar S.， Lee J. A.， Maheshwari S.， Mittal A.， Sung C. Y.， Cococcioni M.， Francis L. F.， McCormick A. V.， Mkhoyan K. A.， Tsapatsis M.， Science， 2011， 334（6052）， 72—75
37	Kim D.， Jeon M. Y.， Stottrup B. L.， Tsapatsis M.， Angew. Chem.， 2018， 130， 489—494
38	Ji G.， Yao J. G.， Clough P. T.， Diniz da Costa J. C.， Anthony E. J.， Fennell P. S.， Wangaef W.， Zhao M.， Energy Environ. Sci.， 2018， 11， 2647—2672
39	Michalkiewicz B.， Koren Z. C.， J. Porous Mater.， 2015， 22， 635—646
40	Hong Z.， Sun F.， Chen D.， Zhang C.， Gu X. P.， Xu N.， Int. J. Hydrogen Energ.， 2013， 38， 8409—8414
41	Zhang Y.， Wu Z.， Hong Z.， Gu X.， Xu N.， Chem. Eng. J.， 2012， 197， 314—321
42	Zhang Y.， Sun Q.， Gu X.， AIChE J.， 2015， 61， 3459—3469
43	Dong X.， Wang H.， Rui Z.， Lin Y.S.， Chem. Eng. J.， 2015， 268， 219—229
44	Kim S. J.， Xu Z.， Reddy G. K.， Smirniotis P.， Dong J.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2012， 51， 1364—1375
45	Kim S. J.， Yang S.， Reddy G. K.， Smirniotis P.， Dong J.， Energ. Fuel.， 2013， 27， 4471—4480
46	Arvanitis A.， Sun X.， Yang S.， Damma D.， Smirniotis P.， Dong J.， J. Membr. Sci.， 2018， 549， 575—580
47	Dangwal S.， Liu R.， Gaikwad S.， Han S.， Kim S. J.， Chem. Eng. Process.， 2019， 142， 107583
48	Dangwal S.， Liu R.， Kirk S. V.， Kim S. J.， Energ. Fuel.， 2018， 32， 4628—4637
49	Wang Z.， Xu J.， Pati S.， Chen T.， Deng Y.， Dewangan Y.， Meng L.， Lin J. Y. S.， Kawi S.， AIChE J.， 2020， e16278
50	Kim S. J.， Liu Y.， Moore J. S.， Dixit R. S.， Pendergast J. G. Jr.， Sholl D.， Jones C. W.， Nair S.， Chem. Mater.， 2016， 28， 4397—4402
51	Van den Bergh J.， Gücüyener C.， Gascon J.， Kapteijn F.， Chem. Eng. J.， 2011， 166， 368—377
52	Zhang X. F.， Wang J. Q.， Liu C. H.， Membr. Sci. Technol.， 2001， 21（2）， 55—61（张雄福，王金渠，刘长厚. 膜科学与技术， 2001， 21（2）， 55—61）
53	You Z. X.， Li B. M.， Wang J. Q.， Prteochem. Technol.， 2007， 36（8）， 804—807（游在鑫，李邦民，王金渠. 石油化工， 2007， 36（8）， 804—807）
54	Wang X.， Zhang X.， Wang Y.， Liu H.， Wang J.， Qiu J.， Ho H. L.， Han W.， Yeung K. L.， Chem. Eng. J.， 2011， 175， 408—416
55	Wang X.， Meng B.， Tan X.， Zhang X.， Zhuang S.， Liu L.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2014， 53， 5636—5645
56	Chen X. H.， Fan Z. Y.， Quan X.， Wei K. M.， Chin. J. Catal.， 2019， 35（1）， 285—290（陈晓晖，范志勇，权霞，魏可镁. 催化学报， 2006， 27（3）， 285—290）
57	Zhu M.， Liu Y.， Yao Y.， Jiang J.， Zhang F.， Yang Z.， Lu Z.， Kumakiri I.， Chen X. S.， Kita H.， Micropor. Mesopor. Mater.， 2018， 268， 84—87
58	Hasegawa Y.， Kusakabe K.， Morooka S.， J. Membr. Sci.， 2001， 190（1）， 1—8
59	Bernardo P， Algieri C， Barbieri G， Drioli E.， Sep. Purif. Technol， 2008， 62（3）， 629—635
60	Medrano J. A.， Garofalo A.， Donato L.， Basile F.， de Santo M. P.， Gallucci F.， Cofone F.， Ciuchi F.， Algieri C.， Chem. Eng. J.， 2018， 351， 40—47
61	Zhu Z. P.， Liu Y. M.， Yang Z. Z， Gu X. H.， Xu N. P.， Tsinghua Sci. Technol.， 2010， 15（4）， 397—403（朱自萍，刘艳梅，杨占照，顾学红，徐南平. 清华大学学报自然科学版（英文版）， 2010，15（4）， 397—403）
62	Peng L.， Wang L.， Zhu F.， Liu J.， Yan W.， Gu X.， Chin. J. Chem. Eng.， 2019， 27， 2560—2565
63	Zhu F.， Peng L.， Yao X.， Zhang Y.， Zhang C.， Gu X.， Energy. Technol.， 2017， 5（12）， 2283—2293

[1]	魏李娜, 彭莉, 朱锋, 顾鹏飞, 顾学红. 中空纤维Au-CeZr/FAU催化膜的制备及在富氢气氛CO选择性氧化反应中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220175.
[2]	李奕川, 朱国富, 王宇, 柴永明, 刘晨光, 何盛宝. 基底表面性质与前驱液化学环境对原位定向构筑钛硅分子筛膜的影响[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2934.
[3]	彭莉, 吴政奇, 王兴, 王博轩, 顾学红. CVD法制备Sn掺杂MFI分子筛膜及其对乙醇/水体系的分离性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2710.
[4]	夏敦焰, 彭莉, 吴政奇, 王林之, 贾逸民, 张春, 顾学红. MFI型分子筛膜的两段变温合成及对二甲苯异构体的分离性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(12): 2813.
[5]	邵国泉,朱惠,马伟,闫攀,马继龙. 高性能AlPO₄-14分子筛膜的制备及气体分离性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(11): 2265.
[6]	郭亚楠, 宫淼淼, 窦新存. 连续致密LTA分子筛膜对痕量TNT爆炸物气氛的浓缩[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(12): 2637.
[7]	张金磊, 赵晴, 刘佳, 孙福兴. 不锈钢金属网上L型分子筛膜的连续生长及气体渗透性能[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(4): 771.
[8]	王正阳, 尹肖菊, 岳乃琳, 孙福兴, 朱广山. 不锈钢金属网支撑的X型沸石膜的制备与表征[J]. 高等学校化学学报, 2011, 32(10): 2250.
[9]	罗民, 梁军, 房俊卓, 王政. 多孔SiC陶瓷微孔道内合成Silicalite-2分子筛膜[J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(7): 1279.
[10]	沈培俊, 丁伟中, 张玉文, 周宇鼎, 杨志彬, 秦国利. BaCo_0.7Fe_0.2Nb_0.1O_3-δ膜反应器还原侧表面反应机理[J]. 高等学校化学学报, 2009, 30(1): 152.
[11]	陈红亮李砚硕刘杰杨维慎. 高性能Silicalite-1分子筛膜的合成[J]. 高等学校化学学报, 2006, 27(1): 20.
[12]	张雄福, 刘海鸥, King-Lun Yeung, 王金渠. 澄清溶液体系二次生长法NaA型沸石膜的生长机制及膜厚的控制合成[J]. 高等学校化学学报, 2005, 26(5): 806.
[13]	曾昌凤, 张利雄, 王焕庭, 徐南平. 气相转移法制备ZnAPO-34分子筛膜[J]. 高等学校化学学报, 2004, 25(2): 204.
[14]	程志林, 林海强, 晁自胜, 万惠霖. 预吸附微波合成纳米NaY沸石晶种制备NaY型分子筛膜[J]. 高等学校化学学报, 2003, 24(10): 1857.
[15]	林海强, 杨乐夫, 万惠霖, 刘云凌, 庞文琴. 预涂布晶种法合成无缺陷A型分子筛膜的研究[J]. 高等学校化学学报, 2001, 22(12): 1971.