Nanocomposite MFI-alumina and FAU-alumina Membranes: Synthesis, Characterization and Application to Paraffin Separation and CO₂ Capture

Membranes nanocomposites MFI-alumine et FAU-alumine : Synthèse, caractérisation & application à la séparation de paraffines et à la capture du CO₂

¹ Institut français du pétrole, IFP-Lyon, BP 3, 69360 Solaize - France
² Süd-Chemie AG, Waldheimerstrasse 13, 83052 Brukmühl - Germany
³ Laboratoire Catalyse & Spectrochimie, ENSICAEN - Université de Caen – CNRS, 6 Bd du Maréchal Juin, 14050 Caen - France
⁴ Université de Lyon, Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (IRCELYON), UMR 5256 CNRS10 - Université Lyon 1, 2 Av. Albert Einstein, 69626 Villeurbanne Cedex - France

Corresponding authors: loic.rouleau@ifp.fr gerhard.pirngruber@ifp.fr florent.guillou@ifp.fr cecile.barrere-tricca@ifp.fr anna.omegna@sud-chemie.com valtchev@ensicaen.fr marc.pera-titus@catalyse.cnrs.fr sylvain.miachon@ircelyon.univ-lyon1.fr jean-alain.dalmon@catalyse.cnrs.fr

Abstract

In this work, we report the preparation of thermally and mechanically resistant high-surface (24-cm²) nanocomposite MFI-alumina and FAUalumina membranes by pore-plugging synthesis inside the macropores of α-alumina multilayered tubular supports. The MFI membranes were prepared from a clear solution precursor mixture being able to easily penetrate into the pores of the support. The MFI membranes were evaluated in the separation of n-/i-butane mixtures. The synthesis reliability was improved by mild stirring. The most selective MFI membranes were obtained for supports with mean pore sizes of 0.2 and 0.8 μm. The MFI effective thickness could be reduced to less than 10 μm by impregnating the support with water prior to synthesis and by diluting the synthesis mixture. The best MFI membrane offered an excellent tradeoff between selectivity and permeance at 448 K, with separation factors for equimolar n-butane/i-butane mixtures up to 18 and n-butane mixture permeances as high as 0.7 μmols^-1m^-2Pa^-1. Furthermore, a novel nanocomposite FAU membrane architecture has been obtained by an original synthesis route including in situ seeding using a cold gel-like precursor mixture, followed by growth of the FAU material by hydrothermal synthesis in two steps using a clear solution of low viscosity. This new membrane showed interesting performance in the separation of an equimolar CO₂/N₂ mixture at 323 K, with CO₂/N₂ separation factors and mixture CO₂ permeances up to 12 and 0.4 μmols^-1m^-2Pa^-1, respectively.

Résumé

Dans ce travail, nous rapportons la préparation de membranes nanocomposites MFI-alumine et FAU-alumine de haute surface (24-cm²), thermiquement et mécaniquement résistantes, par synthèse de zéolithe dans les macropores de supports tubulaires en alumine α. Les membranes MFI ont été préparées à partir de mélange de précurseurs de type solution claire de manière à facilement pénétrer dans les pores du support. Les membranes MFI ont été évaluées en séparation de mélanges n-/i-butane. La fiabilité des synthèses a été améliorée par une agitation modérée. Les membranes MFI les plus sélectives ont été obtenues pour des supports avec des tailles moyennes de pores de 0,2 et 0,8 μm. L'épaisseur effective de MFI a pu être réduite à moins de 10 μm par imprégnation du support avec de l'eau avant la synthèse et par dilution du mélange de synthèse. La meilleure membrane MFI offre un excellent compromis entre sélectivité et perméance à 448 K, avec des facteurs de séparation pour les mélanges n-butane/i-butane jusqu'à 18 et des perméances du n-butane en mélange aussi élevées que 0,7 μmols^-1m^-2Pa^-1. Par ailleurs, une nouvelle architecture de membrane nanocomposite FAU a été obtenue par une voie de synthèse originale incluant un ensemencement in situ à partir d'un mélange refroidi de précurseur de type gel, suivi de croissance de la FAU par synthèse hydrothermale en deux étapes avec une solution claire de faible viscosité. Cette nouvelle membrane a montré des performances intéressantes en séparation de mélange équimolaire CO₂/N₂ à 323 K, avec des facteurs de séparation CO₂/N₂ et des perméances de CO₂ en mélange jusqu'à 12 et 0,4 μmols^-1m^-2Pa^-1, respectivement.