4种分子筛对VOCs静态吸附与脱附性能研究

杨宇轩，杜昭，刘倩

(1.河北科技大学 环境科学与工程学院，河北 石家庄 050018；2.挥发性有机物与恶臭污染防治技术 国家地方联合工程研究中心，河北 石家庄 050018；3.河北省大气污染防治中心，河北 石家庄 050018)

挥发性有机化合物(VOCs)通常指在常压下沸点低于250 ℃，或在室温下(25 ℃)饱和蒸气压大于133.32 Pa的任何有机化合物,是空气中所有的有机化合物的总称。一些挥发性有机化合物表现出强烈的毒性、刺激性、致癌性，并带特殊气味，对人体有极大的损害[1]。吸附法是处理低浓度VOC的有效方法，由于其成熟的技术和高加工效率[2-5]。吸附法是通过吸附剂对VOCs进行选择吸附净化处理后，然后排入大气当中。由于吸附剂的种类、比表面积、孔径等物理性质的不同，其对VOCs的吸附效果肯定也不同[6-8]。

本文采用静态吸附法，研究不同型号分子筛对不同性质VOCs的吸附量，分析影响吸附量的主要因素；分别采用热脱附与微波脱附时分子筛进行脱附，得出更经济、高效、清洁的脱附方法，为吸附剂工业化使用提供理论依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

甲醇、苯、正己烷均为分析纯，动力学直径和极性见表1；3A分子筛、4A分子筛、5A分子筛、10X分子筛均为优级纯，参数见表2。

表1 VOCs的参数Table 1 Parameters of VOCs

表2 分子筛的参数Table 2 Parameters of molecular sieves

B124S电子天平；DHG-9030 电热鼓风干燥箱；MICHEM MD6微波消解系统；NOVA 2000e 孔径及比表面积分析仪等。

1.2 静态吸附[9]

将4种分子筛置于150 ℃烘箱中活化4 h，除去分子筛表面吸附的杂质以及水分。

量取苯、甲醇、正己烷150 mL，分别置于200 mL烧杯中，将烧杯分别置于干燥器中。称量3A分子筛、4A分子筛、5A分子筛、10X分子筛各5 g，置于表面皿中，将表面皿放入盛有VOCs的干燥器。常温(20 ℃)下进行静态吸附，每隔1 h取样称重。当称重质量不再变化时(分子筛的吸附量已饱和)，取出分子筛，并用密封袋密封保存，并计算吸附量。

1.3 脱附

1.3.1 热解吸[10-11]吸附饱和的分子筛采用电热风箱进行热风脱附，由室温开始加热，温度为400 ℃，间隔15 min取出称重，时间为1 h。

1.3.2 微波脱附[12]将吸附饱和的分子筛放入微波解析器中，以800 W功率，由常温25 ℃开始微波加热，每间隔1 min取出称重，当其质量不再发生变化时，即分子筛已脱附完全。

2 结果与讨论

2.1 时间对吸附量的影响

4种分子筛对VOCs的静态吸附结果见表3和图1～图3。

表3 分子筛对VOCs静态吸附量Table 3 Statistics of adsorption amount

图1 甲醇的静态吸附曲线图Fig.1 Static adsorption curve of methanol

图2 苯的静态吸附曲线图Fig.2 Static adsorption curve of benzene

图3 正己烷的静态吸附曲线图Fig.3 Static adsorption curve of n-hexane

由表3和图1～图3可知，10X分子筛对3种VOCs具有突出的吸附效果，反应22 h时基本达到吸附平衡，对苯的吸附量达96 mg/g，对甲醇吸附量88 mg/g，3A、4A、5A分子筛的甲醇吸附量接近，分别为60，55，65 mg/g，在吸附苯和正己烷的过程中，10X分子筛都具有非常突出的吸附性能。

10X分子筛对甲醇的吸附与活性炭、纳米活性炭对比，见图4。

由图4可知，10X分子筛对甲醇的吸附量与普通活性炭相当，分别为88，97 mg/g，但低于纳米活性炭375 mg/g的吸附量。吸附能力上来说，10X分子筛的吸附量小于活性炭吸附量。

图4 分子筛与活性炭对甲醇的吸附量Fig.4 Adsorption amount of methanol

2.2 脱附

以吸附效果最佳的10X分子筛分别进行热脱附和微波脱附，结果见表4、表5。

表4 10X分子筛热脱附率Table 4 10X molecular sieves thermal desorption rate

表5 10X分子筛微波脱附率Table 5 10X zeolite microwave desorption rate

由表4和表5可知，无论是微波脱附还是热脱附，基本上都可以脱附完全，两者脱附率可达95%以上。微波脱附因为具有超高温的特性，把分子筛内部的结晶水除去，造成脱附后的重量少于原重，而热脱附相对来说脱附温度处于可控状态，没有出现脱除结晶水的情况(在热脱附之前使用热重分析仪对分子筛进行预实验，得到可脱附完全的温度)。

2.3 分子筛的再吸附实验

经微波和热脱附的10X分子筛在室温20 ℃下进行静态吸附，结果见表6。

表6 10X分子筛再吸附数据Table 6 Resorption of 10X molecular sieve

由表6可知，微波脱附和热脱附二者再吸附率都很高，脱附方式的不同没有影响到再吸附的效果，不会对分子筛内部结构造成影响。微波脱附具有快速、高效、回收效率高等优点，比热脱附更加方便、高效。

3 结论

(1)4种分子筛(3A、4A、5A、10X)当中，10X分子筛对3种VOCs(苯、甲醇、正己烷)均具有最大的吸附量，可知吸附量和孔径大小成正比。

(2)将吸附饱和的分子筛进行微波脱附和热脱附，脱附效率都达到了95%以上，微波脱附比热脱附更加方便、高效，且清洁。就微波脱附而言，甲醇在各时段的脱附效率均高于苯与正己烷，原因是极性越大，吸收微波的能力越强，从而脱附效率越大。

(3)经微波和热脱附的10X分子筛在20 ℃下进行静态吸附，分子筛具有与原来相同的吸附性能。10X分子筛对苯的原始吸附量为96 mg/g，微波再生后吸附量93.3 mg/g，分子筛的再利用率都达到90%以上，表明脱附方式并没有对分子筛性能造成影响。