面向生物油分离的高性能沸石膜的结构设计与可控合成

Bio-oil is the most important raw material for non-fossil route synthesis of high-grade liquid biofuels, however, the as-prepared bio-oil contains considerable water and organic acids, which substantially lower the quality of bio-oil and affect subsequent refinery process for the high-grade liquid biofuel production. The efficient separation of water and organic acids from the bio-oil would not only significantly promote the renewable biofuel production due to its quality enhancement, but also greatly benefit the recycling and comprehensive utilization of high value-added acidic acid from the bio-oil. To deal with the above problem, a membrane technology for efficient separation of water and organic acids from the bio-oil system is first proposed in this project. This study will mainly focus on the microstructure design and controlled synthesis of zeolite membranes for bio-oil separation, and the quantitative evaluation and regulation of membrane channels as well as mass transport mechanism of membranes, leading to solutions to the key issues relating membrane design, preparation, evaluation and separation for the bio-oil system, which are expected to provide a scientific and technologic basis for efficient application of high-performance zeolite membranes to bi-oil dehydration for biofuel production and to bio-oil deacidification for high value-added acetic acid recycle simultaneously.

生物油是非化石原料路线制备可再生的生物基高品位液体燃料的重要原料，然而其中含有的水分和有机酸极大地影响了生物油的品质以及后续的精制加工过程。实现生物油中水和有机酸的分离不仅对生物油的品质提升以用于精制高品位液体燃料具有重要作用，而且对于其中具有高附加值乙酸化学品的回收与综合利用也具有重要意义。本研究首次提出了沸石膜分离这一技术路线应用于生物油中水和乙酸的高效分离，通过面向生物油分离的沸石膜新颖微结构的孔道设计与可控合成，以及研究沸石膜物质传输微通道的定量评价与渗透行为规律，解决面向生物油分离的沸石膜的设计、制备、评价与应用中所涉及的关键问题，为实现沸石膜技术生物油高效脱水以及其中的乙酸高附加值化学品的分离回收提供科学与技术基础。

随着化石能源的大量消耗和二氧化碳气体排放的持续增加，将生物质转化为各类高性能的生物基燃料近年来受到了科学界的高度重视。其中，生物质经过快速热裂解得到的液体生物油由于工艺简单、原料适应性强、产率高等优点，被广泛认为是未来一种具有极大潜力的生物基液体燃料。由于直接得到的生物油产品中含有大量的水，这不仅严重降低了生物质的品质，也给其后续的精制加工过程带来不利影响。针对传统的蒸馏技术受限于生物油的热敏性和高能耗等问题无法有效运用于生物油体系的脱水分离，本研究首次提出了采用新型膜分离技术以实现常温下生物油的高效脱水。合成的沸石分子筛膜显示了优异的分离选择性，但在生物油这一复杂多组分体系的分离过程中面临着严重的膜污染问题，从而导致了极低的渗透通量。一方面，研究了沸石膜的再生且有效的降低了长期运行过程中膜污染对沸石膜分离性能的影响。另一方面，提出了构建对吸附分子能产生响应的新型孔道以实现孔道大小自动调节的新思路，从膜材料本身的结构设计来解决生物油渗透汽化过程中严重的膜污染问题。开发的新型氧化石墨烯膜分离材料常温下的渗透通量约为0.45 kg m-2 h-1，渗透侧中水和有机酸的质量分数大于98%，膜分离性能在70h内始终保持稳定不变，显示了良好的耐酸性和抗膜污染性能。上述新型抗膜污染概念的提出为新型高性能抗膜污染材料的设计和开发提供了很好的依据。本研究中关于膜材料的设计、膜渗透机理和膜污染机理的研究为生物油等复杂多组分体系的高效、稳定分离提供重要的技术支撑，有效降低了实际应用中膜分离操作的运行成本，可产生较好的经济效益。..