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沸石分子筛—沸石转轮+RCO催化燃烧设备净化VOCs“秘密武器”

文章来源:本站   发布时间:2020-04-09   点击数:84

沸石分子筛—沸石转轮+RCO催化燃烧设备净化VOCs“秘密武器”

沸石转轮+RCO催化燃烧设备是目前国内有机废气处理领域应用较成熟、实用的工艺。采用吸附-脱附-冷却三项连续程序,边吸附边脱附。沸石转轮先对有机废气吸附收集、压缩、提高浓度,然后再把高浓度的废气分子从沸石转轮中脱附出来,送入催化氧化炉(CO炉)中进行无焰燃烧。达到对有机废气净化的目的。锦华环境沸石转轮+RCO设备主要由废气预处理系统、沸石转轮吸附浓缩系统、脱附系统、催化燃烧系统、冷却干燥系统和自动控制系统等组成。

沸石转轮+RCO催化燃烧设备

沸石转轮+RCO催化燃烧设备

其中沸石转轮作为一种将沸石吸附性材料制作成蜂窝状结构的转轮设备,是用来对企业的废气进行处理的关键设备,使用沸石转轮能够有效地将挥发性有机废气(即VOCs废气)进行净化,一起来看下能够实现VOCs超净化的秘密武器吧。

石油化工、橡胶、印刷等行业排放的烷烃、芳香烃、醛类、酮类、酸类、酯类、醇类及氯代烃等挥发性有机物(VOCs)对自然环境和人体健康产生了严重影响,引发了诸如臭氧层破坏、光化学烟雾等一系列环境问题,VOCs的可控治理已成为社会广泛关注的焦点,其处理方法主要包括吸附法、吸收法、冷凝法、膜分离法、等离子体分解法、催化氧化法、直接燃烧法及生物降解法等,其中吸附法和催化氧化法被认为是比较有效的两种方法。

沸石转轮结构

VOCs分子的动力学直径普遍小于1nm,当吸附剂的孔径与VOCs分子动力学直径相匹配时,被吸附的有机分子才不容易逃离,常用的微孔吸附材料主要包括活性炭和沸石分子筛,活性炭具有较大的比表面积,性能较好,但其热稳定性较差,易燃烧,VOCs的脱附较困难,而沸石分子筛具有丰富的微孔、较大的比表面积和优异的热稳定性,已被广泛用于VOCs吸附领域。另外,沸石分子筛自身含有较多的酸位点,具有一定催化活性,十分适合作为催化剂载体材料。将沸石与活性组分复合制备沸石基负载型催化剂,用于VOCs的催化氧化处理,也是一种处理VOCs的重要方法。近年来,国内外对沸石分子筛的制备、性能及应用进行了大量研究,本文将详细综述不同沸石分子筛吸附去除及沸石基负载型催化剂催化氧化去除各类挥发性有机污染物的研究进展,并展望未来研究方向。

沸石分子筛

沸石分子筛

沸石吸附剂的影响:

沸石分子筛对VOCs分子的吸附性能主要取决于内部孔道结构,不同沸石分子筛内部孔道结构不同,其吸附特性存在显著差异。Brody等发现,与ZSM-5沸石和丝光沸石MOR相比,孔径大且具有“超笼”结构的FAU型沸石更容易吸附甲苯分子。Calero等通过计算FAU、MFⅠ型沸石对丙烷、丁烷、丙烯及丁烯等小分子VOCs的吸附特性,证实“超笼”结构有利于FAU型沸石对不同VOCs分子的吸附,其吸附总量更大。但孔径更小的MFⅠ型沸石对这些小分子VOCs的吸附力更大,较低压力下(<102Pa),MF型沸石仍具有优异吸附特性。Ji等闻也证实MFI结构ZSM-5沸石对小分子丙酮具有优异吸附作用。

Zhang等研究了不同多孔材料NaY、SBA-15、MCM-41及SiO2对甲苯的吸附性能,发现微孔含量对甲苯吸附影响较大,微孔含量多的NaY沸石对甲苯的吸附量大, Navarro课题组则证实Beta、ZSM-5及丝光沸石等三种微孔沸石对丙烯的吸附均为 langmuir吸附,但Beta的附量大。分析表明,一方面是由于其孔径更大,微孔体积和比表面积更大,另一方面是由于其骨架A1及平衡阳离子引起的表面酸度较高。

分子筛笼形不同结构

分子筛笼形不同结构

硅铝比是沸石分子筛重要的参数,对沸石吸附性能影响较大,一般来讲,随着硅铝比增加,沸石疏水性增加,有利于水汽环境中对有机分子的吸附8yu等利用水热酸处理方法制备了高硅铝比(Si/Al=6.77)的改性13X沸石(M-13X),发现M-13X疏水性增强,水汽条件下对甲苯的吸附量显著提高,当空气湿度为50%时M-13X的吸附量仍为45mgg。

卢晗锋等也发现随着高温水热脱铝的进行,沸石的疏水性提高,分子筛表面可供有机分子吸附的有效位点增多。湿空气情况下,高硅铝比的超稳Y分子筛(USY沸石对甲苯、苯、二甲苯、苯乙烯及乙酸乙酯等VOCs分子的吸附量更大ZSM-5沸石的硅铝比范围更广泛,黄海凤等发现随着SiAI比的增加,ZSM-5沸石分子筛的疏水性和对甲苯的吸附量同样得到提高,ZSM-5与甲苯分子之间作用力增强,甲芣脱附温度升高。此外,杜娟等研究了高硅铝比的蜂窝状ZSM-5分子筛对丙酮、丁酮的吸附性能,证实高硅铝比ZSM-5具有优异的疏水性,环境湿度对其吸附性能影响不大,该蜂窝状zSM5可用于高湿度条件下有机污染物的吸附净化。

分子筛吸附浓缩转轮优势

分子筛吸附浓缩转轮优势

但干空气条件下,不存在水分子对沸石分子筛有效吸附位点的影响,脱铝处理可能导致沸石内部结构发生坍塌、堵塞、变形,进而影响沸石对VOCs分子的吸附性能 Nigar等考察了干空气情况下,不同硅铝比Y沸石对己烷的吸附特性,证实低硅铝比NaY、HY对己烷吸附量较高,而脱铝处理的高硅铝比沸石(DAY)对己烷吸附量低。

通过平衡阳离子交换、掺杂对沸石进行改性处理可调节沸石品体内的电场、孔道结构及表面物理化学性质,进而影响沸石的吸附特性。scra等通过研究Cs掺杂对MOR沸石吸附甲苯的影响,发现大部分Cs以Cs2O颗粒形式存在沸石表面,MOR沸石的部分孔道堵塞,比表面积和微孔体积减少,但Cs2O的碱性位点与C=C作用强烈,可显著増强甲苯与沸石之间的吸附力,具有较低Cs掺杂量(2%)的 CsNaMOR对甲烷的吸附性能佳。Liu等研究了Pt对NaY沸石吸附乙醇的影响,如图1所示,发现Pt团簇可与乙醇分」形成化学键增强NaY对乙醇的选择性吸附。

Pt团簇增强乙醇吸附示意图

Pt团簇增强乙醇吸附示意图

沸石表面物理化学性质(亲水性、酸碱性等)对VOCs吸附性能也有一定的影响,Zhu等利用碱和氟化物对全硅Beta沸石表面改性,研究干、湿环境下改性沸石对不同VOCs分子的吸附性能,测试表明孔体积大、表面疏水的沸石对不同VOCs分子吸附量更大,而水分子会明显减弱不同Beta沸石的吸附性能,但疏水Beta-F的吸附性能受水汽影响较小,张媛媛等利用表面硅烷化改性法对NaY分子筛进行了疏水改性,发现改性后NaY抗湿性能明显提高,高湿度条件下(RH=80%),甲烷吸附量增加,三甲基氯硅烷(TMCS)改性的NaY沸石对甲苯的吸附量可增加78%沸石表面酸碱度同样影响不同OCs分子的吸附,Aziz等对比了不同ZSM5沸石分亍筛对芳香烃的吸附性能,发现HZSM-5沸石表面总酸度大,特别是 Bronsted酸位点含量多,对不同芳香烃的吸附性能佳。

Alejandro等则证实沸石表面Bronsted酸位点可与苯、甲苯及二甲苯等弱碱性芳香烃发生相互作用,同时 Lewis酸位点也可与这些弱碱性芳香烃生成 Lewis酸碱加合物。此外,Baur等发现经水热处理,NaX沸石表面 Lewis酸位点会向 Bronsted酸位点转变,形成新的OH基团,有利于丁二烯的吸附。

沸石转轮+RCO催化燃烧工艺图

沸石转轮+RCO催化燃烧工艺图

综上所述,沸石分子筛对VOCs分子的吸附是多个影响因素共同作用的结果,孔道结构、硅铝比、平衡阳离子及表面特性等均影响沸石对有机分子的吸附。

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