4種分子篩對(duì)VOCs靜態(tài)吸附與脫附性能研究

楊宇軒，杜昭，劉倩

(1.河北科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.揮發(fā)性有機(jī)物與惡臭污染防治技術(shù) 國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，河北 石家莊 050018；3.河北省大氣污染防治中心，河北 石家莊 050018)

揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)通常指在常壓下沸點(diǎn)低于250 ℃，或在室溫下(25 ℃)飽和蒸氣壓大于133.32 Pa的任何有機(jī)化合物,是空氣中所有的有機(jī)化合物的總稱。一些揮發(fā)性有機(jī)化合物表現(xiàn)出強(qiáng)烈的毒性、刺激性、致癌性，并帶特殊氣味，對(duì)人體有極大的損害[1]。吸附法是處理低濃度VOC的有效方法，由于其成熟的技術(shù)和高加工效率[2-5]。吸附法是通過吸附劑對(duì)VOCs進(jìn)行選擇吸附凈化處理后，然后排入大氣當(dāng)中。由于吸附劑的種類、比表面積、孔徑等物理性質(zhì)的不同，其對(duì)VOCs的吸附效果肯定也不同[6-8]。

本文采用靜態(tài)吸附法，研究不同型號(hào)分子篩對(duì)不同性質(zhì)VOCs的吸附量，分析影響吸附量的主要因素；分別采用熱脫附與微波脫附時(shí)分子篩進(jìn)行脫附，得出更經(jīng)濟(jì)、高效、清潔的脫附方法，為吸附劑工業(yè)化使用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

甲醇、苯、正己烷均為分析純，動(dòng)力學(xué)直徑和極性見表1；3A分子篩、4A分子篩、5A分子篩、10X分子篩均為優(yōu)級(jí)純，參數(shù)見表2。

表1 VOCs的參數(shù)Table 1 Parameters of VOCs

表2 分子篩的參數(shù)Table 2 Parameters of molecular sieves

B124S電子天平；DHG-9030 電熱鼓風(fēng)干燥箱；MICHEM MD6微波消解系統(tǒng)；NOVA 2000e 孔徑及比表面積分析儀等。

1.2 靜態(tài)吸附[9]

將4種分子篩置于150 ℃烘箱中活化4 h，除去分子篩表面吸附的雜質(zhì)以及水分。

量取苯、甲醇、正己烷150 mL，分別置于200 mL燒杯中，將燒杯分別置于干燥器中。稱量3A分子篩、4A分子篩、5A分子篩、10X分子篩各5 g，置于表面皿中，將表面皿放入盛有VOCs的干燥器。常溫(20 ℃)下進(jìn)行靜態(tài)吸附，每隔1 h取樣稱重。當(dāng)稱重質(zhì)量不再變化時(shí)(分子篩的吸附量已飽和)，取出分子篩，并用密封袋密封保存，并計(jì)算吸附量。

1.3 脫附

1.3.1 熱解吸[10-11]吸附飽和的分子篩采用電熱風(fēng)箱進(jìn)行熱風(fēng)脫附，由室溫開始加熱，溫度為400 ℃，間隔15 min取出稱重，時(shí)間為1 h。

1.3.2 微波脫附[12]將吸附飽和的分子篩放入微波解析器中，以800 W功率，由常溫25 ℃開始微波加熱，每間隔1 min取出稱重，當(dāng)其質(zhì)量不再發(fā)生變化時(shí)，即分子篩已脫附完全。

2 結(jié)果與討論

2.1 時(shí)間對(duì)吸附量的影響

4種分子篩對(duì)VOCs的靜態(tài)吸附結(jié)果見表3和圖1～圖3。

表3 分子篩對(duì)VOCs靜態(tài)吸附量Table 3 Statistics of adsorption amount

圖1 甲醇的靜態(tài)吸附曲線圖Fig.1 Static adsorption curve of methanol

圖2 苯的靜態(tài)吸附曲線圖Fig.2 Static adsorption curve of benzene

圖3 正己烷的靜態(tài)吸附曲線圖Fig.3 Static adsorption curve of n-hexane

由表3和圖1～圖3可知，10X分子篩對(duì)3種VOCs具有突出的吸附效果，反應(yīng)22 h時(shí)基本達(dá)到吸附平衡，對(duì)苯的吸附量達(dá)96 mg/g，對(duì)甲醇吸附量88 mg/g，3A、4A、5A分子篩的甲醇吸附量接近，分別為60，55，65 mg/g，在吸附苯和正己烷的過程中，10X分子篩都具有非常突出的吸附性能。

10X分子篩對(duì)甲醇的吸附與活性炭、納米活性炭對(duì)比，見圖4。

由圖4可知，10X分子篩對(duì)甲醇的吸附量與普通活性炭相當(dāng)，分別為88，97 mg/g，但低于納米活性炭375 mg/g的吸附量。吸附能力上來說，10X分子篩的吸附量小于活性炭吸附量。

圖4 分子篩與活性炭對(duì)甲醇的吸附量Fig.4 Adsorption amount of methanol

2.2 脫附

以吸附效果最佳的10X分子篩分別進(jìn)行熱脫附和微波脫附，結(jié)果見表4、表5。

表4 10X分子篩熱脫附率Table 4 10X molecular sieves thermal desorption rate

表5 10X分子篩微波脫附率Table 5 10X zeolite microwave desorption rate

由表4和表5可知，無論是微波脫附還是熱脫附，基本上都可以脫附完全，兩者脫附率可達(dá)95%以上。微波脫附因?yàn)榫哂谐邷氐奶匦?，把分子篩內(nèi)部的結(jié)晶水除去，造成脫附后的重量少于原重，而熱脫附相對(duì)來說脫附溫度處于可控狀態(tài)，沒有出現(xiàn)脫除結(jié)晶水的情況(在熱脫附之前使用熱重分析儀對(duì)分子篩進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，得到可脫附完全的溫度)。

2.3 分子篩的再吸附實(shí)驗(yàn)

經(jīng)微波和熱脫附的10X分子篩在室溫20 ℃下進(jìn)行靜態(tài)吸附，結(jié)果見表6。

表6 10X分子篩再吸附數(shù)據(jù)Table 6 Resorption of 10X molecular sieve

由表6可知，微波脫附和熱脫附二者再吸附率都很高，脫附方式的不同沒有影響到再吸附的效果，不會(huì)對(duì)分子篩內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成影響。微波脫附具有快速、高效、回收效率高等優(yōu)點(diǎn)，比熱脫附更加方便、高效。

3 結(jié)論

(1)4種分子篩(3A、4A、5A、10X)當(dāng)中，10X分子篩對(duì)3種VOCs(苯、甲醇、正己烷)均具有最大的吸附量，可知吸附量和孔徑大小成正比。

(2)將吸附飽和的分子篩進(jìn)行微波脫附和熱脫附，脫附效率都達(dá)到了95%以上，微波脫附比熱脫附更加方便、高效，且清潔。就微波脫附而言，甲醇在各時(shí)段的脫附效率均高于苯與正己烷，原因是極性越大，吸收微波的能力越強(qiáng)，從而脫附效率越大。

(3)經(jīng)微波和熱脫附的10X分子篩在20 ℃下進(jìn)行靜態(tài)吸附，分子篩具有與原來相同的吸附性能。10X分子篩對(duì)苯的原始吸附量為96 mg/g，微波再生后吸附量93.3 mg/g，分子篩的再利用率都達(dá)到90%以上，表明脫附方式并沒有對(duì)分子篩性能造成影響。