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研究生： 劉家銘
Chia-Ming Liu
論文名稱： 沸石膜之製作及性質測試
Preparation and characterization of MFI zeolite membrane
指導教授： 蔣孝澈
A.S.T. Chiang
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 化學工程與材料工程學系
Department of Chemical & Materials Engineering
畢業學年度： 91
語文別： 中文
論文頁數： 84
中文關鍵詞： 蒸汽法 、單一氣體透氣性質 、沸石膜
外文關鍵詞： steam method, permeability of single gas, zeolite membrane
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    • 摘要
    本研究的主要目的，乃是利用蒸汽處理的方法製作矽沸石薄膜於具多孔性不鏽剛管上與文獻中所利用之二次成長法有所不同，以及利用平版基材以原子力顯微鏡（AFM）來探討在蒸汽處理中不同的相對濕度下對矽沸石膜的影響。
    本研究製作沸石膜與文獻中最大的不同在於我們是先鍍上一層二氧化矽層，再披覆上矽沸石之沸石前趨物以蒸汽處理的方式讓沸石長成結晶並成為一連續膜，而非將奈米沸石粒子披覆在基材上，直接浸入沸石合成液中進行水熱反應。蒸汽處理的優點在於較容易控制沸石層的厚度，而直接水熱的方法其厚度的再現性不高。
    在平版基材上我們利用玻璃片與多孔性碟型不鏽鋼片以浸鍍的方式來製作沸石膜。在粗糙度比較低的玻璃片上我們先研究有無TEOS對沸石層的影響。而粗糙度較高之多孔性不鏽鋼片則為了降低其粗糙度，以及避免欲鍍上沸石之前趨物因孔隙太大滲入基材中，無法形成一液膜，所以先披覆上二氧化矽膠。為了使基材的粗糙度再降低於是再鍍上四乙基醇矽所配製之二氧化矽層。降低粗糙度的目的是為了讓矽沸石能有方向性的成長。最後再鍍上以溶膠-凝膠法所配製出之沸石前趨物，其配方為0.25 TEOS /1 TPAOH/ 80 H2O。沸石前趨物是以浸鍍的方法披覆在平版基材上，然後再以不同的相對濕度下用蒸汽處理之方法，找出讓沸石前趨物長成一連續膜之最佳條件，利用此一條件應用在多孔性不鏽鋼管上的矽沸石分離膜之製作。
    目前在平版基材上可以利用兩段式蒸汽處理法製作出小於0.5μm厚，從SEM照片中觀察到具有方向性之沸石連續膜。在不鏽鋼管上以兩段式蒸汽處理後以220℃乾燥將水分去除可得到一氦氣無法透過之完全密封之矽沸石膜。兩段式蒸汽處理為先在相對濕度55％的狀態下讓沸石前趨物長成約30奈米大小之沸石結晶粒子，再提高相對濕度至90％以上讓奈米沸石結晶粒子經過溶解再結晶的機制長成一沸石連續膜。相信此一沸石膜應具有氣體分離之效果。

    目錄 頁次 摘要----------------------------------------------------------------i 目錄---------------------------------------------------------------ii 圖目錄--------------------------------------------------------------v 表目錄-------------------------------------------------------------ix 第一章 緒論 1-1 前言---------------------------------------------------------1 1-2 沸石簡介-----------------------------------------------------1 1-3 MFI 沸石-----------------------------------------------------1 1-4薄膜分離機制-------------------------------------------------2 1-5沸石透膜之製法與相關文獻-------------------------------------4 1-5-1 直接含浸水熱法------------------------------------------4 1-5-2 二次成長法----------------------------------------------6 1-5-3 氣相轉化法---------------------------------------------10 1-6 研究方向----------------------------------------------------12 第二章 矽沸石膜之製作 2-1 實驗藥品與相關儀器------------------------------------------13 2-2 基材前處理步驟----------------------------------------------13 2-3以四乙基矽醇製備二氧化矽溶膠--------------------------------14 2-4 沸石前趨母液之製備------------------------------------------14 2-5 沸石鍍膜於平版基材上----------------------------------------15 2-5-1 玻璃上之鍍膜製作--------------------------------------15 2-5-2 多孔碟型不鏽剛之鍍膜製作------------------------------16 2-6 沸石鍍膜於多孔管狀基材上------------------------------------16 第三章 平版基材之結果與討論 3-1 二氧化矽層之HT-50矽膠與四乙機醇矽之差異----------------20 3-2 有無二氧化矽之影響--------------------------------------22 3-3 蒸汽處理時相對濕度條件的影響----------------------------23 3-3-1 相對濕度為35％、45％與55％之差異----------------23 3-3-2 相對濕度為85％或90％之結果----------------------25 3-3-3 兩段式蒸汽處理之結果-----------------------------28 3-4 應用玻璃基材之結果於多孔碟型不鏽剛基材上----------------30 3-5 嘗試二次成長法------------------------------------------32 第四章 管狀基材之結果與討論 4-1 S1二次成長法之嘗試--------------------------------------34 4-1-1 氦氣測試------------------------------------------34 4-1-2 氫氣與氮氣測試------------------------------------36 4-1-3 SF6透氣性質---------------------------------------36 4-2 S2性質測試----------------------------------------------41 4-2-1 氦氣測試------------------------------------------41 4-2-2 氫氣與氮氣測試------------------------------------41 4-3 S3性質測試----------------------------------------------45 4-3-1 氦氣測試------------------------------------------45 4-3-2 氫氣與氮氣測試------------------------------------45 4-4 S4性質測試----------------------------------------------49 4-4-1 氦氣測試------------------------------------------49 4-4-2 氫氣與氮氣測試------------------------------------49 4-5 S5性質測試----------------------------------------------53 4-1-1 氦氣測試------------------------------------------53 4-6 單一氣體之透氣性質---------------------------------------55 4-7 丙酮吸附-------------------------------------------------55 4-8 對二甲苯與鄰二甲苯分離上的問題---------------------------55 第五章 結論--------------------------------------------------------59 參考資料-----------------------------------------------------------60 附錄一 SPA-400 DFM中文操作手冊-------------------------------------62 附錄二 氦氣與SF6之透氣裝置圖與測量方法-----------------------------67 附錄三 工研院氫氣與氮氣的分離裝置圖、相關條件與步驟-----------------69 附錄四 吸附作用之分離裝置、相關條件與步驟---------------------------71 圖目錄 頁次 圖1-1 MFI結構的孔洞示意圖--------------------------------------------------------------2 圖1-2 Y. Yan密實基材上之沸石薄膜長晶機構。--------------------------------------5 圖1-3 此為 Johan Sterte於1997年在金屬基材製作一沸石薄層之機構。--------7 圖2-1 蒸汽處理反應器----------------------------------------------------------------------18 圖2-2 置放平版基材之支架----------------------------------------------------------------19 圖2-3 置放不鏽鋼管之支架----------------------------------------------------------------19 圖3-1 玻璃片上HT-50之二氧化矽粒子-------------------------------------------------21 圖3-2 玻璃片上四乙基醇矽所配製之二氧化矽----------------------------------------21 圖3-3 玻璃基材浸鍍四乙基醇矽之二氧化矽經350℃煆燒後，浸鍍0.25wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝55%，提供蒸汽溫度為129℃，蒸汽處理3小時。---------------------------------------------------------------------------------------22 圖3-4 玻璃基材直接浸鍍0.25wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝55%，提供 蒸汽溫度為129℃，蒸汽處理3小時。---------------------------------------------22 圖3-5 玻璃基材浸鍍四乙基醇矽之二氧化矽經350℃煆燒後，浸鍍0.25wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝35%，提供蒸汽溫度為115℃，蒸汽處理3小時。---------------------------------------------------------------------------------------24 圖3-6 玻璃基材浸鍍四乙基醇矽之二氧化矽經350℃煆燒後，浸鍍0.25wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝45%，提供蒸汽溫度為122℃，蒸汽處理3小時。---------------------------------------------------------------------------------------24 圖3-7 玻璃基材浸鍍四乙基醇矽之二氧化矽經350℃煆燒後，浸鍍0.25wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝55%，提供蒸汽溫度為129℃，蒸汽處理3小時。---------------------------------------------------------------------------------------25 圖3-8 玻璃基材浸鍍四乙基醇矽之二氧化矽經350℃煆燒後，浸鍍0.25wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝85%，提供蒸汽溫度為144℃，蒸汽處理3小時。-------------------------------------------------------------------------------------26 圖3-9 玻璃基材浸鍍四乙基醇矽之二氧化矽經350℃煆燒後，浸鍍3.1wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝85%，提供蒸汽溫度為144℃，蒸汽處理3小時。------------------------------------------------------------------------------------26 圖3-10 （A） 玻璃基材浸鍍四乙基醇矽之二氧化矽經350℃煆燒後，浸鍍0.25wt%時之平面圖。（B）為圖3-10（A）之立體圖。-------------------------------27 圖3-11 A為150℃相對濕度為90％下蒸汽處理十小時之XRD，B為粉體之XRD。-----------------------------------------------------------------------------------28 圖3-12（A） 玻璃基材浸鍍四乙基醇矽之二氧化矽經350℃煆燒後，浸鍍3.1wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝55%，提供蒸汽溫度為129℃，蒸汽處理3小時後拉昇RH=85%，提供蒸汽溫度為144℃，蒸汽處理3小時之SEM圖。圖3-11（B）為（A）之放大SEM圖。-----------------------------------29 圖3-13（A） 玻璃基材浸鍍四乙基醇矽之二氧化矽經350℃煆燒後，浸鍍3.1wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝55%，提供蒸汽溫度為129℃，蒸汽處理3小時後拉昇RH=100%，提供蒸汽溫度為150℃，蒸汽處理3小時之SEM圖。（B）為（A）之放大SEM圖，倍率×20K。---------------------------29 圖3-14 多孔不鏽剛上鍍上兩層二氧化矽再鍍上五層之四乙機醇矽配製之二氧化矽之表面形貌。---------------------------------------------------------------------30 圖3-15 多孔不鏽剛上鍍上兩層二氧化矽再鍍上兩層之四乙機醇矽配製之二氧化矽之表面形貌。---------------------------------------------------------------------31 圖3-16（A） 為多孔碟型不鏽剛之支撐材，（B）為鍍上兩層二氧化矽再鍍上五層之四乙機醇矽配製之二氧化矽，浸鍍3.1wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝55%，提供蒸汽溫度為129℃，蒸汽處理10小時後拉昇至RH=90%，提供蒸汽溫度為146℃之SEM圖，倍率 ×15K。-------------------------------31 圖3-17（A） 玻璃基材浸鍍四乙基醇矽之二氧化矽經350℃煆燒後，浸鍍3.1wt%矽沸石前趨物，以150℃，RH＝55%，提供蒸汽溫度為129℃，蒸汽處理3小時。置入二次成長液中以100℃水熱兩個鐘頭，經乾燥後之DFM圖，圖（B）為其橫切面圖。------------------------------------------------------------33 圖4-1 S1-He Permeate V.S. Pav-----------------------------------------------------------38 圖4-2 S1-He Flowrate V.S. ΔP-------------------------------------------------------------38 圖4-3 S1-H2 Flowrate V.S. ΔP-------------------------------------------------------------39 圖4-4 S1-N2 Flowrate V.S. ΔP-------------------------------------------------------------39 圖4-5 S1-H2&N2 Permeance VS Temperarure------------------------------------------40 圖4-6 S2-He Permeate V.S. Pav-----------------------------------------------------------42 圖4-7 S2-He Flowrate V.S. ΔP-------------------------------------------------------------42 圖4-8 S2-H2 Flowrate V.S. ΔP-------------------------------------------------------------43 圖4-9 S2-N2 Flowrate V.S. ΔP-------------------------------------------------------------43 圖4-10 S2-H2&N2 Permeance VS Temperarure-----------------------------------------44 圖4-11 S3- He Permeate V.S. Pav---------------------------------------------------------46 圖4-12 S3-He Flowrate V.S. ΔP-----------------------------------------------------------46 圖4-13 S3-H2 Flowrate V.S. ΔP------------------------------------------------------------47 圖4-14 S3-N2 Flowrate V.S. ΔP------------------------------------------------------------47 圖4-15 S3-H2&N2 Permeance VS Temperarure-----------------------------------------48 圖4-16 S4- He Permeate V.S. Pav--------------------------------------------------------50 圖4-17 S4-He Flowrate V.S. ΔP-----------------------------------------------------------50 圖4-18 S4-H2 Flowrate V.S. ΔP-----------------------------------------------------------51 圖4-19 S4-N2 Flowrate V.S. ΔP-----------------------------------------------------------51 圖4-20 S4-H2&N2 Permeance VS Temperarure-----------------------------------------52 圖4-21 S5- He Permeate V.S. Pav--------------------------------------------------------54 圖4-22 S5-He Flowrate V.S. ΔP-----------------------------------------------------------54 圖4-23 單一氣體之透氣性質--------------------------------------------------------------56 圖4-24 丙酮吸附線--------------------------------------------------------------------------57 表目錄 頁次 表4-1 各膜管之製作方法--------------------------------------------35 表4-2 單一氣體透氣比-----------------------------------------------58

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