改性分子筛用于焦化行业挥发性有机物脱除

作     者：李先锋 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：朱廷钰;卢建光

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：VOCs 分子筛 吸脱附 多级孔道 离子交换 

摘      要：挥发性有机物（Volatile Organic Compounds,VOCs）作为 PM2.5 和 O3 的前体物,是目前亟待控制的大气污染物之一。针对焦化行业低浓度多组分VOCs废气,可采用吸附浓缩结合后处理的组合工艺控制。分子筛是一类具有筛分分子功能的微孔、介孔材料,具有吸附选择性高、不易燃等优点。但分子筛在VOCs实际吸附体系中存在吸附规律并不明确,受限于传质速率导致吸附位点利用效率低,对于小分子VOCs（如硫醇、硫醚等）难吸附等问题,因此通过改性开发高效的VOCs吸附分子筛具有重要意义。本文首先选取10种商用分子筛,通过吸附性能测试结合表征结果,系统探究了影响分子筛吸附性能的关键因素。而后,对高硅分子筛进行碱处理改性制备多级孔道分子筛,详细研究了其VOCs吸附特性,揭示了介孔结构对于分子筛吸脱附性能的促进作用。之后,采用离子交换改性制备了离子交换分子筛,重点考察了其含硫VOCs吸附特性。最后,研究了各改性分子筛对多组分VOCs的竞争吸附情况,获得了能有效吸附普通VOCs和含硫VOCs的复合改性分子筛。主要创新性结论如下:（1）研究了含水条件下5A、ZSM-5、Y（NaY、USY）、NaX型沸石及MCM-41介孔硅分子筛等10种材料的吸附性能,结合表征结果分析构效关系,发现孔径和Si/Al 比是影响分子筛VOCs吸附的最重要因素。其中,Si/Al 比为21.1的USY分子筛（USY-3）具有最好的吸附性能,在4.5%含水量下对二甲苯（p-xylene,PX）的饱和吸附量仍能达到100 mg·g-1。（2）对USY-3分子筛进行碱处理改性制备了多级孔道USY分子筛（USY-3-0.2M）,研究了其对于VOCs（苯、PX、氯苯、乙酸丁酯）的吸脱附性能。结果表明,适当的碱处理改性在生成介孔结构的同时,保持了分子筛骨架结构的基本稳定,可有效改善吸附质的传递、提高吸附位点的利用效率,进而增加VOCs吸附量,且吸附质热脱附温度更低。（3）对NaY分子筛进行离子交换改性,制备了 AgY、CuY、MgY、CeY、ZnY、CaY分子筛,研究了其二甲基硫醚（dimethyl sulfide,DMS）吸脱附性能。其中,AgY分子筛可在1.5%含水量条件下有效吸附DMS,而其他离子交换分子筛在含湿条件下几乎无吸附能力,这归因于Ag离子与DMS的强络合吸附能力,且其多次循环再生后仍能保持DMS吸附容量无明显下降。（4）探究了 NaY、AgY 及 AgUSY-H（Ag 离子交换 USY-3-0.2M）分子筛对于PX和DMS的竞争吸附性能,发现NaY和AgY分子筛分别主要吸附PX和DMS,这说明通常情况下PX竞争吸附能力更强,但由于小分子DMS在微孔AgY分子筛内部扩散快且形成Ag-S键,会被优先吸附。而由于扩散性能提升且存在化学吸附位点,含水条件下AgUSY-H分子筛对PX和DMS均可实现有效吸附。