整體式蜂窩陶瓷型分子篩吸附劑的吸附性能研究

赫帥

（南京醫(yī)科大學康達學院理學部，江蘇連云港222000）

工業(yè)上大風量低濃度的VOCs 處理技術(shù)常采用沸石轉(zhuǎn)輪濃縮技術(shù)，該技術(shù)的核心在于吸附區(qū)，篩選合適工況的吸附劑進行整體化處理。由于整體化內(nèi)部平行化的結(jié)構(gòu)，VOCs氣流進入整體化的吸附劑后，只發(fā)生徑向吸附減小氣流阻力。整體化載體常采用平板式、波紋板式、蜂窩狀，但由于平板式的載體表面積小，吸附劑利用率不高并且占地面積大；波紋狀的載體在吸附運行中容易飛灰磨損而逐漸淘汰；蜂窩狀的載體具有機械強度高，表面積大，可涂覆的吸附劑量大等優(yōu)點而在工業(yè)上廣泛應用。

前期工作中探究硅鋁比對HZSM-5 型分子篩吸附性能的影響，已篩選出吸附性、抗水性最優(yōu)的HZSM-5（280）分子篩，因此本文選用HZSM-5（280）分子篩為涂層，通過浸漬法將其在蜂窩陶瓷表面進行涂覆，依次考查涂覆工藝參數(shù)如漿料固含量、涂覆次數(shù)對涂覆效果的影響以及涂覆后的涂覆量、VOCs 類型對整體化蜂窩陶瓷分子篩吸附劑的吸附性能影響，對整體化蜂窩陶瓷分子篩吸附劑工業(yè)化應用具有一定的參考價值。

1 實驗部分

1.1 整體式蜂窩陶瓷型分子篩吸附劑制備

（1）涂覆漿料制備

選用HZSM-5（280）分子篩為原料，添加玻璃纖維、粘合劑，以6∶1∶2的配比制備漿料，加入去離子水，通過分散器將漿料均勻攪拌，最后通過球磨使?jié){料內(nèi)的固體充分粉碎至粘稠的漿液。

（2）涂覆方法

通過蠕動泵將漿液均勻涂覆在蜂窩陶瓷載體的內(nèi)外表面（6.5 mm ×6.5 mm×200 mm，單孔道）。涂覆后的載體放置在110℃的恒溫烘箱內(nèi)干燥，通過空氣泵吹掃載體的內(nèi)表面，防止多余漿液堵塞孔道，再轉(zhuǎn)移至馬弗爐內(nèi)500℃下煅燒3 h，得到的產(chǎn)物即為整體化蜂窩陶瓷分子篩吸附劑，用HZSM-5（280）/HC 表示。對吸附劑涂覆前后進行稱重計算涂覆量。整體式蜂窩陶瓷分子篩吸附劑如圖1所示，發(fā)現(xiàn)蜂窩陶瓷載體的內(nèi)外表面均勻涂覆HZSM-5（280）。

圖1 整體式蜂窩陶瓷分子篩吸附劑照片

1.2 整體式蜂窩陶瓷型分子篩評價

圖2 固定床評價裝置

整體式蜂窩陶瓷型分子篩吸附劑內(nèi)表面的涂覆量η用以下公式計算：

式中：M—空白載體的質(zhì)量，g；M—整體式蜂窩陶瓷型分子篩吸附劑的質(zhì)量，g。

2 涂覆工藝參數(shù)對涂覆效果的影響

2.1 漿料固含量

漿料中的水分含量影響漿料的黏度，漿料固含量低，導致在載體表面附著的漿料附著能力差，在氣流通過時容易脫落。若漿料固含量過高，則導致涂層過厚，VOCs氣體無法達到涂層內(nèi)部，因此漿料選擇合適的固含量至關(guān)重要。圖3為固含量為20%、25%、30%時反復浸漬制備整體化蜂窩陶瓷分子篩吸附劑的最大涂覆率與最大涂覆量，發(fā)現(xiàn)當固含量為25%時涂覆效果最佳。當固含量為20%時，由于漿液較稀，經(jīng)反復浸漬后最大涂覆率僅達到4.5%，涂覆量僅為0.98 g，不利于工業(yè)化應用。固含量達到30%時漿料較為粘稠。第三次涂覆時達到14%的高涂覆率，在空氣泵吹掃過程中，出現(xiàn)較為明顯的飛粉現(xiàn)象，說明高固含量不利于漿料在載體表面附著。

圖3 漿料固含量對涂覆效果的影響

2.2 涂覆次數(shù)

選擇固含量效果最佳的25%HZSM-5（280）/HC 為研究對象，考查涂覆次數(shù)對涂覆效果的影響，如圖4 所示。顯然隨著涂覆次數(shù)的增加，涂覆率與涂覆量隨之增大。但第7次涂覆時涂覆率降低，說明第6次涂覆時漿料已在載體表面飽和。

圖4 涂覆次數(shù)對涂覆效果的影響

3 整體式蜂窩陶瓷型分子篩吸附性能測試

3.1 涂覆率

在空速為5×10h，丙酮體積分數(shù)為0.02 vol.%的實驗條件下，進行不同涂覆率的HZSM-5（280）/HC吸附丙酮的穿透曲線實驗，并做空白對照，實驗結(jié)果如圖5所示。發(fā)現(xiàn)空白蜂窩陶瓷載體無吸附能力，隨涂覆率的增大，吸附傳質(zhì)中心斜率變緩，飽和時間也隨之延長。由于涂覆率的增加，HZSM-5（280）的含量增大，進而單位吸附飽和容量也隨之降低，實驗結(jié)果如表1所示。

圖5 不同涂覆率HZSM-5（280）/HC吸附丙酮的穿透曲線

表1 不同涂覆率HZSM-5（280）/HC吸附丙酮的吸附數(shù)據(jù)

3.2 VOCs種類

吸附測試中VOCs 選擇正己烷、乙醇、乙酸乙酯、丙酮，正己烷是典型的非極性分子，其他三種VOCs 屬于強極性分子。圖6為涂覆率為10%的HZSM-5（280）/HC吸附這四種VOCs 的吸附穿透曲線，發(fā)現(xiàn)穿透曲線的形狀大致相同，說明HZSM-5（280）/HC 吸附VOCs 的傳質(zhì)過程相同。對比表3 吸附數(shù)據(jù)，乙醇的穿透速度最快，正己烷最慢。但由于乙醇的摩爾質(zhì)量低，因此單位吸附飽和容量最大，而正己烷的摩爾質(zhì)量大，并且分子鏈較長，不利于正己烷進入HZSM-5（280）/HC的孔道進行吸附。前期工作中已討論過HZSM-5（280）的官能團組成，由于HZSM-5（280）中含有大量的T-O-T（T 為Si 或Al）、Si-OH等極性較強的官能團，丙酮的極性大于乙酸乙酯和正己烷，從表2 的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，吸附飽和容量有同樣的規(guī)律。因此在相同的實驗條件下，極性越弱的VOCs可以在較短的時間內(nèi)在HZSM-5（280）/HC上達到吸附飽和，且吸附飽和容量低。

圖6 HZSM-5（280）/HC吸附不同VOCs的吸附穿透曲線

表2 HZSM-5（280）/HC吸附不同VOCs的吸附數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）當漿料固含量為25%，涂覆第6 次時可達到最大涂覆率，為最優(yōu)涂覆工藝參數(shù)。

（2）HZSM-5（280）/HC 的吸附性能與VOCs 的極性相關(guān)，對極性較大的分子表現(xiàn)出較優(yōu)異的吸附性能。