吸附VOCs用陶瓷基分子篩瓦楞紙片吸附性能初步研究

劉月穎

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 茂名 525027）

吸附VOCs用陶瓷基分子篩瓦楞紙片吸附性能初步研究

劉月穎

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 茂名 525027）

以分子篩制作的陶瓷基瓦楞紙吸附紙片為吸附劑，極性溶劑CH2Cl2和非極性溶劑C6H6為吸附質(zhì)，采用動態(tài)吸附法，考察不同分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)對吸附紙片吸附性能的影響。隨著分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，吸附紙片對苯、二氯甲烷的穿透時(shí)間、吸附量均逐漸增加；而IMa紙片對CH2Cl2的穿透時(shí)間、吸附量降低。

VOCs；分子篩；陶瓷基瓦楞紙片；吸附性能

具有蜂窩結(jié)構(gòu)的吸附轉(zhuǎn)輪，在對VOCs進(jìn)行分離濃縮時(shí)，具有接觸表面積大、風(fēng)阻低、傳質(zhì)速率高、凈化效率高、出口濃度穩(wěn)定等優(yōu)勢[1]。本研究將陶瓷基瓦楞紙卷制成蜂窩狀，用無機(jī)膠粘接并定型，并將吸附材料涂覆在蜂窩狀孔道表面，制成陶瓷基蜂窩塊體吸附劑。為了對蜂窩塊體的吸附性能進(jìn)行研究，從涂覆分子篩的陶瓷基分子篩瓦楞紙片開始，考察了分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)對陶瓷基分子篩瓦楞紙片的吸附性能的影響。

能用來制作蜂窩狀吸附VOCs轉(zhuǎn)輪的材料有活性炭、活性炭纖維和疏水沸石?；钚蕴亢突钚蕴坷w維存在發(fā)生燃燒破損的可能性，同時(shí)活性炭顆粒有較大的吸濕性，會阻礙對VOCs的吸 收[2]。為避免上述問題，本文采用疏水性沸石（高硅分子篩）作為吸附劑材料。經(jīng)粗選，試驗(yàn)選用ZSM-5類3種分子篩，它們產(chǎn)量大，價(jià)格適宜，來源易得，分別以代號進(jìn)行標(biāo)記。國產(chǎn)分子篩（Domestic molecular sieve），記為DM，兩種 進(jìn)口產(chǎn)品（Imported molecular sieve），分別記為IMa、IMb。

以陶瓷瓦楞紙為基材，經(jīng)過潤濕浸膠、微波干燥、燒結(jié)，制作成胚體。將胚體放入經(jīng)過均質(zhì)機(jī)分散制得的分子篩懸浮液中，之后取出，干燥，高溫活化，即制成陶瓷基分子篩瓦楞紙。選用分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.04%、16.67%和23.08%的陶瓷基分子篩瓦楞吸附紙片，使用動態(tài)吸附法分別吸附極性溶劑CH2Cl2和非極性溶劑C6H6，考察分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)對陶瓷基分子篩瓦楞紙片吸附性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室自制陶瓷基分子篩瓦楞紙片（分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.04%、16.67%、23.08%）、二氯甲烷（CH2Cl2）、苯（C6H6）電子天平、恒溫鼓風(fēng)干燥箱、吸附性能測試裝置、GC9790-Ⅱ氣相色譜儀。

1.2 陶瓷基分子篩瓦楞紙片吸附性能測試

吸附測試前，將陶瓷基分子篩瓦楞紙剪碎，真空干燥2h，放置天平上稱取一定的質(zhì)量，并記錄。之后放入U(xiǎn)型石英管中，兩端放入少量的石英棉，形成吸附床。樣品的吸附性能測試由VOCs動態(tài)裝置完成（該裝置由VOCs發(fā)生器、氣體流量控制系統(tǒng)、吸附床、TCD檢測器、數(shù)據(jù)采集等組成）。分別吸附極性溶劑CH2Cl2和非極性溶劑C6H6，考察其吸附性能。吸附過程中，出口氣體濃度達(dá)到入口濃度的5%時(shí)設(shè)為穿透點(diǎn)，達(dá)到100%時(shí)認(rèn)為吸附飽和。從開始吸附到吸附穿透所用的時(shí)間，記為穿透時(shí)間tB，達(dá)到吸附飽和，即吸附平衡時(shí)間，記為吸附平衡時(shí)間tS。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)對吸附性能的影響

實(shí)驗(yàn)選用分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.04%、16.67%和23.08%的陶瓷基瓦楞吸附紙片，使用動態(tài)吸附法，分別吸附極性溶劑CH2Cl2和非極性溶劑C6H6，考察其吸附性能。

2.1.1 二氯甲烷吸附穿透曲線

不同分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)所制備的瓦楞紙片對CH2Cl2的穿透曲線如圖1所示。CH2Cl2的濃度為20000×10-6，經(jīng)計(jì)算得到的穿透吸附量如表1所示。

圖1 不同分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瓦楞吸附紙片對CH2Cl2的qB值Figure.1 qBvalves of CH2Cl2on corrugated adsorption papers at different mass fraction of molecular sieve

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)分子篩下瓦楞吸附紙片對CH2Cl2的qB、q′B值Table.1 qBand q′Bvalues of CH2Cl2on corrugated adsorption papers at different mass fraction of molecular sieve

由圖1可知，隨著分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，DM及IMb紙片對二氯甲烷的吸附量略微增加；而IMa紙片對二氯甲烷的吸附明顯減少，可見分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，不利于IMa對吸附質(zhì)的吸附,其結(jié)果與設(shè)想的并不一樣。在實(shí)驗(yàn)前，設(shè)想隨著分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，涂覆在陶瓷基瓦楞紙的分子篩也增加，這樣就會增加其吸附容量，但是由于分子篩含量增加，吸附劑的重量也隨之增加，這樣單位質(zhì)量吸附紙片對二氯甲烷的吸附量qB(g·g-1)并非完全一致增加。將吸附量的單位換算成為單位面積吸附量，即每cm2吸收溶質(zhì)的重量(q′B/g·cm-2)，結(jié)果見表1。由表1可知，即使換算成單位面積的吸附量，依舊與單位質(zhì)量吸附量的走勢相同。

2.1.2 以C6H6為吸附質(zhì)，陶瓷基分子篩瓦楞紙的吸附性能

苯是一種非極性吸附質(zhì)，在對吸附劑的吸附性能進(jìn)行測試時(shí)經(jīng)常使用。由于苯和二氯甲烷的飽和蒸氣壓不同，所以實(shí)驗(yàn)采用了與二氯甲烷吸附時(shí)不同的流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。入口流量為35mL·min-1，苯濃度為25000×10-6，吸附溫度303.15K，圖2為分子篩吸附紙片對苯吸附穿透曲線，其對應(yīng)的穿透時(shí)間及吸附量數(shù)據(jù)見表2。

圖2 不同分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瓦楞吸附紙片對苯的吸附穿透曲線Figure.2 Breakthrough curves of C6H6on corrugated adsorption papers at different mass fraction of molecular sieve

表2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)分子篩下瓦楞吸附紙片對C6H6的tB和qB值Table.2 tBand qBvalves of C6H6on corrugated adsorption papers at different mass fraction of molecular sieve

由圖2及表2可知，在相同的分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，IMa紙片的吸附性能最好。隨著分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，瓦楞吸附紙片對苯的吸附穿透時(shí)間也在相應(yīng)延長，吸附量增加。比較起來，IMa紙片性能最優(yōu)。IMa紙片對苯的吸附穿透時(shí)間由24.35min增至38.58min，增幅達(dá)58.44%，明顯高于DM紙片(81.64%)及IMb紙片(66.80%)。同樣，IMa紙片對苯的吸附量增幅為31.6%，高于DM紙片(57.18%)和IMb紙片(37.86%)。

對比瓦楞吸附紙片對二氯甲烷和苯的動態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，對苯的吸附趨勢如同預(yù)期設(shè)想，隨著分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，對吸附質(zhì)的吸附量也在增加。而對二氯甲烷的吸附趨勢卻與設(shè)想并不一致。這可能與吸附劑對吸附質(zhì)的極性及分子較大存在位阻效應(yīng)有關(guān)。

3 結(jié)論與展望

本文使用極性有機(jī)物二氯甲烷（CH2Cl2）和非極性有機(jī)物苯（C6H6）為吸附質(zhì)，采用動態(tài)吸附法，測試了分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)對吸附紙片吸附性能的影響。當(dāng)吸附質(zhì)為二氯甲烷（CH2Cl2）時(shí)，IMa紙片吸附量隨分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減少，而DM與IMb的紙片則略微上升。當(dāng)吸附質(zhì)為苯時(shí)，隨著分子篩質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，3種分子篩對其吸附量、穿透時(shí)間均增加，其中，IMa對苯的吸附性能最好，這可能與吸附劑對吸附質(zhì)的極性及分子較大存在位阻效應(yīng)有關(guān)。

下一步我們將分析分子篩的孔結(jié)構(gòu)、比表面積和組成，表征陶瓷基分子篩紙片的微觀結(jié)構(gòu)，為二氯甲烷和苯的吸附特性找出可能的原因，為產(chǎn)品樣品提供數(shù)據(jù)。

[1] 金偉力，山田健一郎，等.采用蜂窩狀吸附轉(zhuǎn)輪對VOCs污染空氣進(jìn)行凈化處理[J].中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集，2011：1186-1191.

[2] Zhou L., Li M., Sun Y., Zhou Y. P.. Effect of moisture in microporous activated carbon on the adsorption of methane[J], Carbon, 2001, 39(5): 773-776.

Preparation of Ceramic Honeycomb Monolithic Adsorbents for VOCs Adsorption

LIU Yueying
(Maoming Polytechnic, Maoming 525027, China)

Applied ceramic corrugated adsorption paper separately made by molecular sieve as adsorbent, the VOCs such as polar solvent methylene chloride (CH2Cl2) and nonpolar solvent benzene (C6H6) as adsorbate, the inf uence of the molecular sieve mass fraction on the adsorption performance of ceramic corrugated adsorption paper was respectively investigated by dynamic adsorption. With the increase of the molecular sieve mass fraction, the breakthrough times and the adsorbing capacity of both CH2Cl2and C6H6on all the adsorption papers increased. The breakthrough time and adsorbing capacity for CH2Cl2on IMa adsorption paper was decreased.

VOCs; molecular sieve; deramic corrugated paper; adsorption performance

TQ 424.25

A

1671-9905(2017)05-0047-03

2017-03-08