分子筛对VOCs吸脱附性能研究

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近年来,工业溶剂使用行业的挥发性有机物(VOCs)排放量占全国人为源排放总量的20%以上,成为我国城市VOCs主要来源之一。VOCs是形成臭氧(O3)和二次有机气溶胶(SOA)的重要前体物,不仅能引起严重的环境污染,而且严重威胁着人们的身体健康。在溶剂使用行业中,代表性企业主要有家具、涂料及油墨制造、汽车、电子等行业,这些行业的特点是以中小型企业为主,数量多,涵盖范围广泛,在我国国民经济的发展中具有举足轻重的地位;其VOCs排放情况主要以低浓度、大风量为主。在VOCs治理技术中,吸附法具有经济性、适用性等优点,而吸附法的核心是吸附剂的选择。活性炭存在不易再生及易燃的特性,分子筛恰好能弥补这些缺陷。然而市面上分子筛种类繁多,结合实际工况筛选出合适的分子筛至关重要。鉴于此,本研究选取Na Y型、ZSM-5型等4种分子筛作为研究对象,采用扫描电镜(SEM)、Brunner-Emmet-Teller(BET)、X射线衍射(XRD)、X射线荧光分析(XRF)以及傅里叶红外光谱(FTIR)等测试方法对其进行表征,并从静态吸附和动态吸附两方面考虑了分子筛对丙酮、环己烷、异丙醇、乙酸乙酯等VOCs的吸脱附性能,从微观和宏观两个角度揭示了分子筛对VOCs的吸脱附机理;对静态吸附过程采用动力学拟合,动态吸附过程采用Y-N模型、Thomas模型以及吸附等温模型对数据进行拟合,以修正穿透曲线误差,得到具有指导意义的参数;通过吸脱附循环实验测定分子筛的重复使用性能,最后计算了不同条件下传质区长度和总传质系数,并考察了混合VOCs的竞争吸附情况,为实际工程应用提供指导。主要研究结果如下:(1)在SEM测试中,分子筛结构整齐,均呈现长方体状。BET表征发现分子筛的比表面积介于228.96~395.63m~2/g,有效孔径为1.0547~1.6082nm。XRD测试表明分子筛的孔道有序性较好。FTIR测试表明4种分子筛官能团类型基本一致,故而本实验中官能团对吸附性能影响较小。(2)在静态吸附过程中,分子筛对VOCs的吸附性能各不相同。在动力学拟合中,准二阶动力学R~2基本都在0.99以上,其拟合效果较好,说明吸附为化学吸附;在分子筛对乙酸乙酯的内扩散模拟中,拟合效果较好,第一阶段和第二阶段对吸附影响较大。静态脱附过程中,VOCs分子极性和扩散阻力导致脱附效果不同。分子筛对VOCs的动态吸附的饱和吸附量约为静态吸附条件下的80%左右。分子筛对VOCs的动态吸附穿透曲线均为S型,但不同种类分子筛、VOCs之间的吸附情况各不相同;VOCs物性和分子筛结构对吸附均有较大影响,单一的VOCs物性和分子筛结构均不能解释其吸附过程。在100~200℃恒温脱附过程中,温度越高其脱附效果越好;分子筛的孔容、有效孔径以及Si/Al可能影响脱附情况。经10次吸脱附循环试验后,吸附率基本维持在50%~60%左右。(3)Thomas模型和Yoon-Nelson模型的拟合值和实验值之间的误差分别在2%和10%以内,可为实际的工程应用提供指导。对于Freundlich、Langmuir、Temkin和D-R等4种吸附等温模型,Langmuir等温吸附模型的模拟效果最好;综合来看,分子筛对VOCs的吸附主要以化学吸附为主。(4)床层高度、初始浓度、温度等均会影响吸附实验中传质区的长度和物质总传质系数,发现高温不利于吸附进行。在竞争吸附实验中,占据有利地位的VOCs往往是极性较大的物质。
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